38. Kvazičástice
Ve světě kolem nás jsme si zvykli na tělesa, jako je stůl, židle nebo třeba míček. Podobně si představujeme i částice v mikrosvětě. Elektron nebo proton jsou v naší mysli zabydleny jako malé pranepatrné kuličky. A nic na tom nezmění, když slyšíme, že v některých situacích se elektron a proton chovají jako vlny a že na vlnových vlastnostech elektronu je třeba založeno tak užitečné zařízení, jako je elektronový mikroskop. Ať jsou naše znalosti mikrosvěta sebelepší, elementární částici si podvědomě představujeme jako malou letící kuličku. A alespoň v některých situacích není naše představa příliš daleko od skutečnosti.
Ve fyzice se často setkáme ještě s pojmem kvazičástice. Je to něco, co se za částici jen vydává. Hráli jste někdy domino? A viděli jste televizní šoty pečlivě postavených kostek z této hry, do kterých pak někdo šťouchne, a jedna padající kostka poráží druhou? Tak přesně tohle je kvazičástice. Rozruch šířící se od kostky ke kostce, který přenáší energii a hybnost, poráží kostky a na konci třeba shodí nějaký předmět ze stolu. Cítíme, že podél kostek jakoby něco běželo. Skutečná částice to ale není, protože žádný opravdový míček nebo předmět se na stole s postavenými kostkami nepohyboval.
Ve fyzice jako kvazičástici označujeme rozruch, který přenáší energii z jednoho místa na druhé. Třeba zvuk v krystalických látkách si lze představit jako soubor kvazičástic. Jeden vibrující atom předává energii druhému a vibrace se šíří od místa k místu v energetických kvantech, kterým říkáme fonony. Slovo fonon vzniklo z řeckého phonē, které znamená zvuk. Současně je slovo fonon záměrně podobné slovu foton, které označuje částici elektromagnetického pole. Koncept fononů neboli kvant vibrací krystalické mříže přinesl do fyziky sovětský fyzik Igor Tamm už v roce 1932. Je to tentýž Tamm, který později pomohl objasnit podstatu Čerenkovova záření.
Fonon je první z kvazičástic, se kterou jsme se seznámili, ale rozhodně ne poslední. Další důležitou kvazičásticí je magnon. Magnetická látka je složena z elementárních magnetů. Ty tvoří v látce shodně orientované oblasti, kterým říkáme magnetické domény. Elementární magnety si mohou předávat rozruch od jednoho k druhému podobně jako dominové kostky. V látce vznikne magnetická vlna a proběhlé kvantum energie se nazývá magnon. Za pomoci magnonů se děje v magnetických látkách popisují velmi snadno. Nejde ale jen o matematickou pomůcku, jde o skutečný rozruch šířící se magnetikem.
V polovodičích, izolantech a některých kapalinách může dojít po dopadu fotonu k uvolnění elektronu z nějakého kvantového stavu. Na jeho místě zůstane kladná oblast, které říkáme díra. Takové díry mohou vytvořit vázaný stav s původním nebo jiným elektronem neboli exciton. Exciton je opět kvazičásticí, která může z místa na místo přenášet energii bez přenosu náboje. Excitony v mnohém připomínají atomy vodíku. Jen namísto k protonu je elektron vázán k díře. Pro výpočet chování excitonu lze využít matematické metody vhodné pro atom vodíku. Tady ale podobnost končí. Atom vodíku je stabilní systém, exciton má velmi krátkou dobu života, často jen nanosekundy. Poté se elektron spojí s dírou za vzniku charakteristického záření, hovoříme o tzv. luminiscenci. Prakticky to znamená, že se elektron vrátí do energetického stavu, ze kterého byl vybuzen a zaplní místo po díře. Velmi zajímavé chování mají excitony v blízkosti povrchu hostitelského materiálu, takové excitony nazýváme exiplexy, jejich životní doba je delší než u objemových excitonů. V roce 2011 se ukázalo, že v supratekuté látce může dojít při zvětšování tlaku k vytvoření jakési krystalické mříže z excitonů. Nové formě látky říkáme excitonový krystal. Při dalším zvyšování tlaku došlo k destrukci krystalické mříže a opětovně se objevila supratekutá fáze. Experimenty tohoto druhu nám umožňují pochopit chování látek za extrémních podmínek a jen těžko lze odhadnout, kolik technologií budoucnosti bude těžit z těchto pokusů.
Poslední kvazičástice, se kterou se v dnešním zamyšlení seznámíme, je plazmon. Tato kvazičástice je kvantem podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách. Přestože jde o kvazičástici, mohou se s ní srážet jednotlivé elektrony nebo fotony. Výsledkem je ztráta energie rovná celistvému násobku energie plazmonu. Vytváření plazmonů v pevných látkách tak vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření. Probíhá v ultrafialovém nebo vizuálním oboru a bylo objeveno v roce 1960. V roce 2005 se za pomoci plazmonů podařilo týmu z Marylandské univerzity vyvinout plazmonovou mikroskopii. Jde o novou metodu optického zobrazování, při které se fotony mění na povrchové plazmony s mnohem kratší vlnovou délkou. Tímto trikem je možné zobrazovat i předměty s rozměry kratšími, než byla vlnová délka budícího světla.
Svět kvazičástic je stejně bohatý jako svět normálních částic. Mohou se srážet mezi sebou nebo interagovat s normálními částicemi a vlnami. Za pomoci kvazičástic můžeme elegantně vysvětlit šíření zvuku, luminiscenci, spinové vlny i další jevy. Některé jevy jsou dokonce přímým důsledkem existence kvazičástic a jejich popis se bez kvazičástic neobejde. V posledních letech se ukazuje, že kvazičástice se stávají součástí těch nejmodernějších technologií.