Квазичастицы: призраки материи или новая реальность квантового мира

Помимо знакомых нам частиц, таких как электроны и протоны, ученые обнаружили целый «зоопарк» квазичастиц с экзотическими названиями: магноны, ангулоны, дроплетоны и поляритоны. Но чем же на самом деле являются квазичастицы? И, учитывая приставку «квази-» в их названии, можно ли считать их реальными частицами?

Один из способов понять природу квазичастиц — разобраться с тем, что представляет собой частица как таковая. Стандартная мысленная картина частицы — «это дискретный объект, похожий на шарик», — рассказал Live Science Дуглас Нейтелсон, физик, специализирующийся на конденсированных средах, из Университета Райса в Хьюстоне. Однако этот классический образ изменился с появлением квантовой физики, которая показала, что на самых малых уровнях Вселенная становится размытой. Например, в 1924 году французский физик Луи де Бройль продемонстрировал, что такие частицы, как электроны, могут вести себя и как волны — открытие, принесшее ему Нобелевскую премию.

Современная физика предполагает, что частицы — это возбуждения в полях, пронизывающих всю Вселенную, что-то вроде ряби на поверхности пруда, объяснил Live Science Росс Маккензи, физик-теоретик в области конденсированных сред и почетный профессор Квинслендского университета в Австралии. Каждому типу частиц соответствует свое собственное поле. Например, фотоны света — это рябь электромагнитного поля, отметил Маккензи.

Квантовая природа частиц означает, что они могут не только пролетать сквозь пустой вакуум, но и распространяться в виде волн внутри вещества. Скажем, фотоны способны проноситься сквозь прозрачные и полупрозрачные материалы, а электроны — течь внутри проводов.

Если вы можете представить стандартную частицу, скажем, электрон, как рябь, бегущую внутри материала, то вы в состоянии вообразить и другие типы возбуждений в веществе. Эти иные виды «ряби» и есть квазичастицы.

Для примера вспомните «волну», которую делают болельщики на стадионе. «Вы можете наблюдать, как она распространяется по футбольному стадиону; у нее есть местоположение и скорость, — говорит Нейтелсон. — Однако она существует только в пределах стадиона и состоит из коллективной реакции всех взаимодействующих болельщиков». Похожим образом, «квазичастицы могут существовать только внутри какой-либо среды или материала, поскольку они построены из отклика составляющих или «строительных блоков» этого материала», — поясняет Нейтелсон. В отличие от этого, такие частицы, как электроны и протоны, «могут существовать в свободном пространстве».

Иными словами, квазичастицы не способны существовать в вакууме и не могут быть сами по себе. Они зависят от взаимодействия реальных частиц и от наличия материала, в котором способны возникнуть, — точно так же, как волна на стадионе возможна лишь тогда, когда есть группа людей, готовая ее исполнить.

Один из философских вопросов касательно квазичастиц заключается в том, реальны ли они, замечает Маккензи. В конце концов, «quasi» на латыни означает «почти», «как будто».

«Фундаментальные частицы могут существовать изолированно в вакууме, а квазичастицам для существования требуется множество взаимодействующих частиц, — говорит Маккензи. — Тем не менее, я бы сказал, что для всех практических целей квазичастицы столь же реальны, как и частицы, если говорить о том, как вы можете их обнаружить и манипулировать ими».

Зоопарк квазичастиц

Концепция квазичастиц родилась благодаря физику-теоретику Льву Ландау в 1950-х годах, рассказывает Маккензи; в конечном итоге эта идея помогла Ландау получить Нобелевскую премию по физике в 1962 году. С тех пор ученые предположили существование десятков типов квазичастиц, включая следующие:

• Фонон — квазичастица звука, мельчайший пакет колебательной энергии, из которого состоит звук в веществе, поясняет Маккензи.

• Электронная дырка, часто называемая просто дыркой, — положительно заряженная вакансия, оставшаяся после того, как электрон покинул свое первоначальное место, отмечает Маккензи.

• Электронная квазичастица, которая, по сути, представляет собой электрон вкупе с его взаимодействиями с окружающей средой. Такой комбинированный пакет требует больше усилий для перемещения, так что он фактически обладает большей массой, чем обычный электрон, объясняет Маккензи.

• Экситон — квазичастица, состоящая из электрона и дырки, вращающихся друг вокруг друга.

• Энион — тип квазичастицы, пока что наблюдавшийся только в двумерных системах, способный нести лишь долю электрического заряда.

«Сколько всего существует видов квазичастиц? — задается вопросом Маккензи. — Точно так же, как существует бесконечное число возможных состояний материи, я бы сказал, что в принципе имеется и бесконечное количество типов квазичастиц».

Ученые описывают активность в материалах через квазичастицы, «потому что это радикально всё упрощает», говорит Маккензи. В том же ключе Нейтелсон отмечает, что «очень часто математика, стоящая за физическими явлениями в твердых телах, прекрасно описывается именно квазичастицами».

Квазичастицы полезны не только для «ведения учета». К примеру, поведение электричества в электронных устройствах исследователи обычно описывают в терминах таких квазичастиц, как дырки и экситоны, говорит Нейтелсон.

В итоге, ответ на вопрос, реальны ли квазичастицы, — это вопрос интерпретации. Если спрашивать, является ли квазичастица элементарной частицей вроде электрона, ответ отрицательный — они не могут существовать сами по себе и зависят от материалов, в которых проявляются.

Однако если вопрос в том, представляют ли собой квазичастицы реальные явления, ответ утвердительный — это объекты, которые ученые могут измерить, которые способны вести себя подобно частицам и фактически обладают многими из тех же свойств, что и другие частицы.

Источники: Douglas Natelson (Rice University), Ross McKenzie (University of Queensland) в интервью Live Science; нобелевские лекции и работы Льва Ландау.