Kvasipartiklar – finns de egentligen?

Det skulle kunna verka lite flummigt att säga att fysiker kan uppfinna nya partiklar, som inte finns med i partikelfysikens system. Partikel­fysikens standardmodell beskriver de fundamentala byggstenarna som världen består av. Där finns kvarkarna som bildar atomkärnans protoner och neutroner, och elektronerna som bygger upp atomernas yttre delar. De här vardagspartiklarna har ett par uppsättningar tyngre och kortlivade kusiner, som mest syns i extrema processer. Utöver dessa finns de spöklika neutrinerna som knappt märks och partiklar som förknippas med kraftförmedling. I grund och botten är detta allt som finns. Eller?

Om det finns något fenomen som beter sig som en partikel och kan beskrivas med samma ekvationer som andra partiklar, då kan fysiker ändå kalla det för en partikel. En sådan pragmatisk inställning öppnar dörren till en värld full av olika sorters partiklar som brukar kallas för kvasipartiklar. De har en undanskymd tillvaro, men förtjänar att bli mer kända och omtalade med tanke på vilken viktig roll de spelar i olika delar av fysiken. Det upptäcks också hela tiden nya.

Precis som partiklar kan kvasipartiklar bära energi, förflytta sig, studsa och kollidera. Kvasipartiklarna går däremot inte att plocka loss från sin omgivning. Ingen kan lägga en ensam kvasipartikel i en låda. I stället existerar de som fenomen inuti material, som resultat av att en nästan obegripligt stor mängd partiklar samverkar med varandra.

Skulle vi räkna atomerna i en normal mängd av något material vi stöter på i vardagen måste vi jonglera med Avogadros tal, som vi kanske känner igen från kemin i skolan – det är i samma storleksordning som en etta följd av 23 nollor. Att följa vad som händer med varje partikel är helt ohanterligt.

– Men vi kanske kan hålla reda på viktiga gemen­samma egenskaper som vi vill identifiera, säger Annica Black-Schaffer, professor i kvantmateriens teori vid Uppsala universitet.

Här kommer kvasipartiklarna in, som ett sätt att beskriva vissa sådana gemensamma egenskaper och fenomen. Fysiker har pratat om kvasipartiklar sedan 1930-talet, då bland andra Nobelpris­tagarna Igor Tamm och Lev Landau försökte förstå fenomen som vibrationer i fasta material.

I materialens inre sitter atomerna uppradade i en regelbunden struktur, ett gitter. De sitter dock inte helt fast, utan kan svänga kring sina grund­positioner. Ju mer materialets atomer rör sig, desto högre är temperaturen. Sådan värmerörelse är oordnad. Ljudvågor är också vibrationer i gittret, men strukturerade vibrationer som fortplantar sig i synk.

Gittervibrationer är kvantiserade, vilket betyder att de existerar i form av små energipaket, kvanta, som uppför sig som partiklar. Ett sådant kvantum brukar kallas för fonon. Vi kan alltså säga att fononen är en ljudpartikel, och då har vi vår första kvasipartikel.

Så långt handlar det om atomerna i gittret. Många viktiga egenskaper i fasta material bestäms däremot av elektronerna. De funktioner elektronerna har för att göra bindningar mellan atomer brukar räknas till kemins område, förklarar Annica Black-Schaffer. Fysikerna å sin sida handskas med allt som atomernas yttersta elektroner gör i det färdiga materialet – de bestämmer till exempel elektriska och magnetiska egenskaper, hur materialet växelverkar med ljus. Material hamnar i olika kategorier beroende på hur elektronerna beter sig.

– I metaller finns det helt rörliga elektroner, som ger elektrisk ledningsförmåga. I halvledare finns det inte så många av dem. I isolatorer finns det inga, säger Annica Black-Schaffer.

Olika fenomen kan sedan påverka de elektroner som kan röra sig och växelverka med varandra och med atomerna genom sin elektriska laddning. Här uppkommer diverse fenomen som kan beskrivas som kvasipartiklar.

Ibland är växelverkan mellan elektronerna väldigt kraftig, och då uppför sig elektronen som om den hade en annan massa. I en tidigare artikel har vi berättat om olika typer av kvantmaterial, bland dem en typ som kallas tunga fermionsystem. Elektronerna kan bli så tunga att det knappt går att flytta på dem. Sådana material kan till exempel få ovanliga optiska egenskaper.

Elektronerna kan också växelverka starkt med fononerna i det omgivande atomgittret. Då uppstår en ny sorts kvasipartikel, som består av en elektron som är bunden till ett moln av omgivande fononer.

Ibland kallas en elektron som modifieras av sin omgivning för en klädd elektron. Den har liksom fått nya kläder så att den ser annorlunda ut – vilket är ett sätt att beskriva att den uppför sig annorlunda i de mätningar fysiker gör. Klädmetaforen kan ändå vara lite missvisande, påpekar Annica Black-Schaffer:

– Kläder är ju något som läggs till, men ibland går kvasipartikelns massa i stället ner. Den effektiva massan kan till och med bli negativ.

Ännu en typ av kvasipartikel är elektronhål. Ofta kallas de bara hål. Hål uppstår när en elektron saknas på ett ställe i gitterstrukturen där det borde finnas en. Hålet fungerar som en positivt laddad partikel som kan bära ström – laddning och energi – och de är viktiga i halvledare.

Hålen spelar också stor roll för att bilda andra mer komplicerade kvasipartiklar. Det gäller till exempel i supraledare, material som leder elektrisk ström helt utan motstånd och förluster, oftast vid extremt låga temperaturer.

Det finns olika sorters supraledare. I de konventionella varianterna som fysiker förstår bäst uppstår supraledning när elektroner parar ihop sig till något som kallas Cooperpar, som uppför sig helt annorlunda än enskilda elektroner. De här paren kan alla hamna i ett och samma kvant­tillstånd, ett så kallat kvantkondensat. De flyter omkring utan att påverkas av omgivningen, och ger då inget elektriskt motstånd.

Om extra energi kommer in i systemet rubbas ordningen. Då kan ett Cooperpar brytas upp, och de enskilda elektronerna kopplar ihop sig med hål i materialet och bildar en kvasipartikel. Ibland kallas de Bogoliubov-kvasipartiklar. Det är så långt och bökigt att säga att de forskare som jobbar med supraledning ofta gör det enkelt för sig själva – men kanske förvirrande för andra – genom att bara kalla dem kvasipartiklar, som om de var den enda sorten.

Att förstå de här Bogoliubov-kvasipartiklarna kan få viktig praktisk betydelse. Supraledare används nämligen i olika typer av kvantteknik. Det kan handla om kvantsensorer, som använder kvantfysikens effekter för att mäta ljus, magnetfält eller andra fenomen på ett mycket effektivt sätt. En annan viktig tillämpning är i kvantdatorer, som hanterar data på ett helt annat sätt än konventionella datorer. Kvantdatorer är ett hett forskningsområde, och Peter Samuelsson, professor i matematisk fysik vid Lunds universitet, har intresserat sig för kvasipartiklarna i supraledare, bland annat för just effekten för tekniska tillämpningar.

– Byggstenarna, kvantbitarna som man har i kvantdatorer, är väldigt känsliga. Kvasipartiklar kan växelverka med kvantbiten och förstöra dess kvantmekaniska egenskaper och så brakar kvantdatorn ihop, säger Peter Samuelsson.

I dagsläget är inte tekniken på den nivån att kvasi­partiklarna är den största källan till störningar, men när andra problem är under kontroll blir de en viktig faktor.

För något år sedan samarbetade Peter Samuelsson och kollegan Ville Maisi med forskare vid Aalto-universitetet i Finland om ett experiment. De mätte på ett litet stycke aluminium som kylts ner tills det blivit supraledande. När kvasipartiklar uppstod kunde enskilda elektroner tunnla ut genom en kontakt och ge en signal. Det visade sig att det ofta var helt fritt från kvasipartiklar under flera sekunder i sträck, vilket är lång tid i kvantvärlden, innan det plötsligt kom en skur av några stycken elektroner väldigt snabbt.

– Om man bara vet när den här skuren dyker upp så kan man liksom se till att det är tomt på kvasipartiklar. Sen kan man köra sin kvantprocess och göra lite kvantberäkningar, och avbryta när någonting kommer och stör den igen, säger Peter Samuelsson.

Vad det är som får Cooperparen att brytas vet de fortfarande inte, men en upptäckt i det här experimentet var att antalet Bogoliubov-kvasipartiklar från brutna Cooperpar minskade gradvis under de veckor experimentet pågick. Forskarna testade också att kapsla in experimentet i bly för att se om det gjorde någon skillnad, men det påverkade inte. Orsaken kan alltså vara infrysta spänningar i materialet, eller något liknande. Något som förändras med tiden efter att det har kylts ner till temperaturer där det blir supraledande.

I andra typer av kvantteknik finns det fler sorters kvasipartiklar som inte stör och förstör, utan i stället är själva redskapet. Några av dem undersöks på Chalmers tekniska högskola.

– Vi jobbar med så kallade polaritoner, som är hybridpartiklar av ljus och materia. Polaritoner ett väldigt bra system för att förstärka interaktioner mellan ljus och ljus, berättar forskaren Timur Shegai, som är docent på avdelningen för nano- och biofysik vid Chalmers.

Eftersom ljus normalt växelverkar väldigt lite med annat ljus kan polaritonerna vara ett sätt att få helt nya effekter som skulle kunna vara användbara. Han har gjort experiment med polaritoner i nanometerstora korn, i samarbete med Eva Olssons forskargrupp vid samma avdelning, som har avancerade elektronmikroskop. Med mikro­skopets elektroner kan de avbilda materialets atomer, men elektronerna kan också växelverka med kvasipartiklar och avge lite energi. Genom att mäta energierna kan forskarna avgöra vilka kvasipartiklar som finns och se deras egenskaper.

– Elektronstrålen är så liten så vi kan gå in och mäta väldigt lokalt för att studera variationer. Var sker kopplingen, och hur varierar den? Händer det någonting annorlunda vid vissa energier? Det är det som är spännande, säger Eva Olsson, som är professor i fysik och avdelningschef för nano- och biofysik vid Chalmers.

Kvasipartiklar har alltså en viktig plats i forskningen. Här har vi stött på några olika typer av kvasipartiklar: energipaket i vibrerande material, elektroner som uppför sig som om de fått en annan massa, elektronhål, kombinationer av elektron och hål, eller en blandning av ljus och materia. Det slutar inte där, för det finns en uppsjö av andra sorters kvasipartiklar.

– Man kan manipulera material på så pass många olika sätt – med temperatur, elektromagnetiska fält, ljudvågor, och så vidare. Därför finns det så många olika kvasipartiklar. Vi behöver konceptet för att försöka förstå materialen, säger Annica Black-Schaffer.

Trots att kvasipartiklarna på sätt och vis inte finns, i den mening att de inte kan existera som isolerade fenomen, är de alltså högst verkliga i många forskares modeller och laboratorier.