Физики ввели в обращение новую квазичастицу

Учёные из Бельгии, Франции и США предложили формальную модель, включающую в себя описание оригинальной квазичастицы — ринклона.

Английское название квазичастицы (wrinklon), образованное от слова wrinkle, которым обозначают морщины или складки, отражает её физический смысл: новая модель характеризует именно образование и распределение волнообразных складок на тонких листах, закреплённых с одного края. Размеры таких листов могут изменяться от сотен нанометров до нескольких метров, а материалом может оказаться как привычная ткань, так и открытый недавно графен.

Разработка модели началась с экспериментов с обычными крупными (их длина попадала в интервал 2–4 м) шторами, выполненными из ткани, натурального латекса или бумаги. Один край подготовленных образцов экспериментаторы прикрепляли к планке с волнообразным профилем и оценивали поперечный размер складок на разных расстояниях х от зафиксированного края. Как оказалось, изменение средней «длины волны» λ, соответствующей складкам, хорошо описывается простой степенной зависимостью λ(х) ~ х^m. В дальнейшем выяснилось, что образование складок на подвешенной графеновой мембране подчиняется тем же законам.

Складки на графеновой мембране, подвешенной над бороздкой, и шторе из тонкого слоя латекса. Масштабные полоски — 1 мкм и 25 см. (Здесь и далее иллюстрации из журнала Physical Review Letters

Задействованные в опытах материалы разделились на две группы, отличающиеся друг от друга величиной m. Чтобы корректно описать свойства обеих групп, физики и ввели понятие ринклона — структурного элемента, многократное повторение которого характеризует всю совокупность складок. Отдельный ринклон отвечает за переходную область, в которой две складки с «длиной волны» λ объединяются с образованием более крупной. Каждому ринклону при этом соответствует некоторый размер L, определяемый характеристиками материала и значением λ.

В результате учёные получили прекрасно согласующиеся с экспериментальными данными варианты зависимости λ(х) ~ х^m для «лёгких» (ткани, бумаги) и «тяжёлых» (латекса, двухслойного графена) материалов. В последнем случае выражение, к примеру, имеет вид λ(х)/h ~ (E•h/Т)^0,25•(х/h)^0,5, где h — толщина листа, E — модуль Юнга, а величина Т характеризует растягивающую силу. У «лёгких» листов выражение получается несколько более громоздким, причём отношение (х/h) возводится в другую степень, равную 2/3.

Эта модель, как надеются её авторы, будет использоваться при исследовании новых материалов — скажем, того же графена. Поскольку свойства мембраны зависят от её толщины, модель даёт возможность по виду складок определить, сколько атомарных слоёв входит в тот или иной образец, и выделять однослойный графен.

Слева сверху показана схема эксперимента с тонкими образцами полипропилена, в котором изучались свойства ринклонов, а справа — сама область, в которой совершается переход от двух складок с «длиной волны» λ к одной. Внизу дана трёхмерная модель этой области.

Результаты опытов с полипропиленом разной толщины, которые демонстрируют сходство ринклонов.

Полная версия отчёта опубликована в журнале Physical Review Letters; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.