În domeniul fizicii, cvasiparticulele și excitațiile colective sunt fenomene emergente care apar în momentul în care un sistem complicat microscopic (un solid, spre exemplu) se comportă ca și cum ar conține diferite particule care interacționează slab în vid. De exemplu, pe măsură ce un electron călătorește printr-un semiconductor, mișcarea acestuia este perturbată într-un mod specific, complex, de interacțiunile sale cu alți electroni și cu nucleii atomici. Electronul, astfel, se comportă ca și când ar avea o masă efectivă care călătorește neperturbată în vid. Prin urmare, acest tip de electron se numește „cvasiparticulă de electroni”. În mod similar, mișcarea agregată a electronilor din banda de valență a unui semiconductor (sau a unei gări dintr-un metal) va urma același comportament – ca și cum materialul ar conține, în schimb, cvasiparticule numite găuri de electroni, încărcate pozitiv. Alte cvasiparticule sau excitații colective includ fononul, ce este o particulă derivată din vibrațiile atomilor dintr-un solid, plasmonii, particule ce sunt derivate din oscilația plasmei, exemplele fiind destul de multe.
În esență, o cvasiparticulă este o colecție de „caracteristici cuantice între particule” care în mod individual funcționează drept o particulă singulară. Spre deosebire de particulele fundamentale care constituie materia înconjurătoare, adică electronii și quarcii, cvasiparticulele nu fac parte din modelul standard. Și, spre deosebire de neutroni, protoni sau chiar de atomi, molecule, ele nu sunt structuri independente „care plutesc” singure în spațiul liber. Totuși, la fel ca particulele fundamentale, cvasiparticulele au proprietăți obișnuite precum sarcina și spinul: de exemplu, o cvasiparticulă electronică are același spin și sarcină ca și componenta sa electronică, însă atunci când este combinată cu alte influențe cuantice, masa sa poate fi diferită. Modelele teoretice au găsit exemple de cvasiparticule care, practic, sunt nemuritoare. În timp ce descompunerea lor, sub o anumită formă, este inevitabilă, particule identice „pot renaște”; menținând ciclul acesta la nesfârșit (conform modelelor teoretice, care nu au fost dovedite prin tehnici practice).
Exemple de cvasiparticule cunoscute
Există numeroase cvasiparticule cunoscute. Un exemplu este polaronul, un electron în mișcare care interacționează cu atomii într-un mod care îi protejează sarcina cu un nor de polarizare; el este folosit în fizica materiei condensate pentru a înțelege interacțiunile dintre atomi și electroni dintr-un material solid. Excitonul este un electron legat de un „gol de sarcină”, cunoscut drept „gaură electronică”. Fermionul Majorana (particula Majorana) este un fermion al propriei anti-particule (ipoteza a fost formulată de către Ettore Majorana, în 1937). Cu alte cuvinte, în același timp, se consideră că este o cvasiparticulă neutră care are stare atât de particulă, cât și de anti-particulă. Fononul reprezintă echivalentul cuantic al unei unde sonore sau al unei vibrații prin intermediul atomilor dintr-un aranjament cristalin, curat. Aceste particule, în mod obișnuit, sunt numite „cvasiparticule” dacă sunt legate de fermioni și numite „excitații colective” atunci când sunt legate de bosoni, deși o distincție precisă este greu de făcut.
Astfel, electronii și găurile electronice (fermionii) sunt numiți, în mod tipic, cvasiparticule, în timp ce fononii și plasmonii (bosonii) sunt numiți excitații colective. Cvasiparticulele joacă un rol foarte important în fizica materiei condensate, deoarece pot simplifica problema mai multor corpuri din mecanica cuantică. Teoria cvasiparticulelor a fost dezvoltată, în anii 1930, de către fizicianul de origine sovietică Lev Landau. Solidele sunt formate din trei tipuri de particule, iar acestea sunt electronii, protonii și neutronii. Cvasiparticulele nu sunt niciuna dintre acestea, în schimb, fiecare dintre ele este un fenomen emergent care are loc în interiorul solidului. Așadar, deși este foarte posibil să existe o singură particulă (electron, proton sau neutron) care plutește în spațiu, o cvasiparticulă poate exista numai în interiorul sistemelor, în special solide, cu mai multe particule care interacționează.
O nouă clasă de cvasiparticule polaritonice
Fizicienii de la City College of New York au reușit să creeze un nou tip de cvasiparticule magnetice, generate prin cuplarea luminii la o stivă de magneți bidimensionali ultrasubțiri. Descoperirea făcută – rezultat al unei colaborări cu Universitatea Texas din Austin – pune bazele strategiilor emergente de proiectare artificială a materialelor, prin asigurarea unei interacțiuni stabile dintre acestea și lumină. Cuplajul puternic dintre lumină și excitațiile elementare se dovedește a fi nu doar un instrument puternic pentru a modifica proprietățile sistemelor solide, ci și un pas major în abordarea fizicii materiei condensate. Excitațiile corelate cu spinul care se cuplează puternic la cavitățile optice promit controlul asupra fenomenelor cuantice colective, cum ar fi tranzițiile de fază magnetică. Oamenii de știință au raportat un puternic cuplaj lumină-materie în NiPS3, un antiferomagnetic van der Waals cu grade de liberate electronică puternic corelate. O altă clasă de cvasiparticule polaritonice neidentificată anterior apare tot în urma cuplajului puternic dintre excitonii săi corelați de spin și fotonii din interiorul unei microcavități. „Rezultatele pe care le-am obținut vor deschide calea pentru stabilizarea unor noi faze cuantice ale materiei, dar care nu au corespondent în echilibrul termodinamic”, a spus Eduardo Baldini, profesor universitar.
O analiză spectroscopică detaliată, împreună cu teoriile microscopice, oferă o perspectivă unică asupra originii și interacțiunilor acestor excitații cuplate magnetic. Lucrarea lor introduce, deci, magneții van der Waals în domeniul fizicii și oferă o cale spre proiectarea și controlul mult mai precis al sistemelor de electroni corelați prin intermediul fenomenului electrodinamicii cuantice a structurilor de tip cavitar. „Punerea în aplicare a abordării noastre cu materia magnetice este o cale ce pare să promită multe în ceea ce privește efectele magneto-optice eficiente””, a declarat unul dintre fizicienii care au luat parte la proiect. „Atingerea obiectivului ar putea permite utilizarea pentru aplicații în dispozitive folosite zilnic, cum ar fi laserele, sau pentru stocarea datelor digitale”, a mai adăugat el. Florian Dirnberger, autor principal al studiului, consideră că lucrarea lor a reușit să expună „un tărâm în mare parte neexplorat” al interacțiunilor semnificative care au loc între lumină și cristalele magnetice. În viitor, echipa intenționează să-și extindă investigațiile pentru a înțelege rolul „vidului electrodinamic cuantic” care are atunci când materialele cuantice sunt amplasate în cavități optice.
