과학자들이 처음으로 고전 시스템에서 '준입자'를 관찰했습니다.

May 13, 2023

양자역학의 출현을 시작으로 물리학의 세계는 고전물리학과 양자물리학으로 양분되었습니다. 고전 물리학은 우리가 일반적으로 거시 세계에서 매일 보는 물체의 움직임을 다루는 반면, 양자 물리학은 미시 세계에서 소립자의 이국적인 거동을 설명합니다.

많은 고체나 액체는 가까운 거리에서 서로 상호 작용하는 입자로 구성되어 있으며, 이로 인해 "준입자"가 발생하는 경우도 있습니다. 준입자는 약하게 상호작용하는 입자처럼 효과적으로 행동하는 수명이 긴 여기입니다. 준입자에 대한 아이디어는 1941년 소련의 물리학자 레프 란다우(Lev Landau)에 의해 소개되었으며, 그 이후로 양자 물질 연구에 매우 효과적이었습니다. 준입자의 몇 가지 예로는 초전도체의 Bogoliubov 준입자(즉, 깨진 쿠퍼 쌍), 반도체의 엑시톤 및 포논이 있습니다.

준입자 측면에서 출현하는 집합적 현상을 조사하면 다양한 물리적 설정, 특히 초전도성과 초유체성에 대한 통찰력을 얻을 수 있었고 최근에는 그래핀의 Dirac 준입자에 대한 유명한 사례를 볼 수 있었습니다. 그러나 지금까지 준입자의 관찰과 사용은 양자 물리학으로 제한되었습니다. 고전적인 응집 물질에서는 일반적으로 충돌 속도가 너무 높아서 오랫동안 지속되는 입자와 같은 여기가 허용되지 않습니다.

그러나 준입자가 양자물질에만 국한된다는 표준적인 견해는최근에 도전했다 기초과학연구원(IBS) 산하 연성물질연구단(CSLM) 연구팀이 이같이 밝혔다. 그들은 얇은 미세유체 채널에서 점성 흐름에 의해 구동되는 미세입자로 만들어진 고전적인 시스템을 조사했습니다. 입자가 흐름에 끌리면 주변의 유선형이 교란되어 서로 유체역학적 힘이 가해집니다. 이번 성과는 그룹 리더인 Tsvi Tlusty(UNIST 물리학과)와 CSLM 박혁규(UNIST 물리학과) 교수가 공동으로 주도했다.

놀랍게도 연구원들은 이러한 장거리 힘이 입자를 쌍으로 구성한다는 것을 발견했습니다. 이는 유체역학적 상호작용이 두 입자 사이의 힘의 크기는 같고 방향은 반대여야 한다는 뉴턴의 제3법칙을 위반하기 때문입니다. 대신, 힘은 동일하고 같은 방향을 향하여 쌍을 안정화시키기 때문에 "반뉴턴적" 힘입니다.

쌍으로 결합된 입자의 대규모 집단은 이것이 시스템에서 오래 지속되는 기본 여기, 즉 준입자임을 암시합니다. 이 가설은 연구자들이 수천 개의 입자로 구성된 대형 2차원 결정을 시뮬레이션하고 그 움직임을 조사한 결과 옳았다는 것이 입증되었습니다. 입자 사이의 유체 역학적 힘은 진동하는 고체의 열 포논과 마찬가지로 결정을 진동시킵니다.

이 쌍의 준입자는 결정을 통해 전파되어 연쇄 반응을 통해 다른 쌍의 생성을 자극합니다. 준입자는 포논의 속도보다 빠르게 이동하므로 모든 쌍은 초음속 제트기 뒤에서 생성된 마하 원뿔과 마찬가지로 새로 형성된 쌍의 산사태를 남깁니다. 마지막으로, 모든 쌍이 서로 충돌하여 결국 결정이 녹게 됩니다.

쌍에 의해 유도된 용융은 육각형 결정이라는 특별한 경우를 제외하고 모든 결정 대칭에서 관찰됩니다. 여기서 유체역학적 상호작용의 3중 대칭은 결정질 대칭과 일치하며 결과적으로 기본 여기는 매우 느린 저주파 포논입니다(평소와 같이 쌍이 아닙니다). 스펙트럼에서 이러한 초저속 포논이 응축되는 "플랫 밴드"를 볼 수 있습니다. 플랫 밴드 포논 간의 상호 작용은 매우 집단적이고 상호 연관되어 있으며 이는 훨씬 더 선명하고 다양한 종류의 용융 전이를 보여줍니다.

특히 연구진은 포논의 스펙트럼을 분석하면서 그래핀의 전자 스펙트럼에서 발견되는 구조와 마찬가지로 Dirac 준입자의 전형적인 원뿔형 구조를 확인했습니다. 유체역학적 결정의 경우, Dirac 준입자는 흐름에 의해 매개되는 반뉴턴 상호작용 덕분에 형성되는 단순한 입자 쌍입니다. 이는 이 시스템이 그래핀에서 발견된 입자의 고전적인 유사체 역할을 할 수 있음을 보여줍니다.