Колеблющиеся квазичастицы: цикл распада и перерождения

Как говорится, ничто не длится вечно. Законы физики подтверждают это: на нашей планете все процессы увеличивают энтропию, и таким образом, молекулярный беспорядок. Например, разбитое стекло никогда не соберется снова.

Физики-теоретики из Технического университета Мюнхена (TUM) и Института физики сложных систем им. Макса Планка обнаружили, что явления, которые кажутся немыслимыми в повседневном мире, возможны на микроскопическом уровне.

«До сих пор предполагалось, что квазичастицы во взаимодействующих квантовых системах распадаются через определенное время. Теперь мы знаем, что все наоборот: сильные взаимодействия могут даже полностью прекратить распад», — объясняет Франк Поллманн, профессор теоретической физики твердого тела в ТУМ. Коллективные колебания решетки в кристаллах, так называемые фононы, являются одним из примеров таких квазичастиц.

Концепцию квазичастиц придумал физик и лауреат Нобелевской премии Лев Давыдович Ландау, советский физик-теоретик, академик АН СССР. Он использовал ее, чтобы описать коллективные состояния множества частиц или, точнее, их взаимодействия из-за электрических или магнитных сил. Благодаря этому взаимодействию несколько частиц действуют как одна единая.

Численные методы открывают новые перспективы

«До сих пор не было подробно известно, какие процессы влияют на судьбу этих квазичастиц во взаимодействующих системах, — говорит Поллманн. — Только сейчас у нас есть численные методы, с помощью которых мы можем вычислять сложные взаимодействия, а также компьютеры с производительностью, которая достаточно высока, чтобы решить эти уравнения».

«Результат сложного моделирования: по общему признанию, квазичастицы распадаются, однако новые, идентичные частицы сущности появляются из обломков», — говорит ведущий автор иссдедования Рубен Верресен. «Если этот распад происходит очень быстро, через определенное время произойдет обратная реакция, и осколки снова сойдутся. Этот процесс может повторяться бесконечно, и возникает устойчивое колебание между распадом и возрождением».

С физической точки зрения это колебание представляет собой волну, которая превращается в материю, что, согласно квантово-механической двойственности волны-частицы, возможно. Поэтому бессмертные квазичастицы не нарушают второй закон термодинамики. Их энтропия остается постоянной, распад остановлен.

Это открытие также объясняет явления, которые до сих пор ставили ученых в тупик. Физики-экспериментаторы измерили, что магнитное соединение Ba3CoSB2O9 удивительно стабильно. За это отвечают магнитные квазичастицы, магноны. Другие квазичастицы, ротоны, гарантируют, что гелий, являющийся газом на поверхности Земли, станет жидкостью при абсолютном нуле, которая может течь неограниченно.

«Наша работа является чисто фундаментальным исследованием», — подчеркивает Поллманн. Тем не менее, вполне возможно, что в один прекрасный день полученные результаты позволят создать полезные приложения, например, создание долговременной памяти данных для будущих квантовых компьютеров».

Ruben Verresen et al, Avoided quasiparticle decay from strong quantum interactions, Nature Physics (2019). DOI: 10.1038/s41567-019-0535-3