Οι «Quantum Atmospheres» ενδέχεται να αποκαλύψουν τα μυστικά της ύλης

Τα τελευταία χρόνια, ορισμένα υλικά έχουν αποδειχτεί παιδική χαρά για τους φυσικούς. Αυτά τα υλικά δεν είναι φτιαγμένα από κάτι ιδιαίτερο – μόνο από κανονικά σωματίδια όπως πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Αλλά είναι περισσότερα από το άθροισμα των μερών τους. Αυτά τα υλικά διαθέτουν μια σειρά από αξιοσημείωτες ιδιότητες και φαινόμενα και έχουν οδηγήσει ακόμη και τους φυσικούς σε νέες φάσεις της ύλης — πέρα ​​από τις στερεές, αέριες και υγρές φάσεις που γνωρίζουμε περισσότερο.

Μια κατηγορία υλικού που ενθουσιάζει ιδιαίτερα τους φυσικούς είναι ο τοπολογικός μονωτήρας — και, ευρύτερα, οι τοπολογικές φάσεις, των οποίων τα θεωρητικά θεμέλια κέρδισαν στους ανακαλύψεις τους βραβείο Νόμπελ το 2016. Στην επιφάνεια ενός τοπολογικού μονωτή, τα ηλεκτρόνια ρέουν ομαλά, ενώ στο εσωτερικό τα ηλεκτρόνια είναι ακίνητα. Η επιφάνειά του είναι έτσι ένας αγωγός που μοιάζει με μέταλλο, αλλά το εσωτερικό του είναι ένας κεραμικός μονωτήρας. Οι τοπολογικοί μονωτές έχουν τραβήξει την προσοχή για την ασυνήθιστη φυσική τους καθώς και για την πιθανή χρήση τους σε κβαντικούς υπολογιστές και τις λεγόμενες σπιντρονικές συσκευές, οι οποίες χρησιμοποιούν σπιν ηλεκτρονίων καθώς και το φορτίο τους.

Αλλά τέτοιες εξωτικές συμπεριφορές δεν είναι πάντα εμφανείς. «Δεν μπορείς να πεις εύκολα κοιτάζοντας το υλικό με συμβατικούς τρόπους εάν έχει τέτοιου είδους ιδιότητες», είπε ο Frank Wilczek, φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης και νικητής του Βραβείου Νόμπελ Φυσικής το 2004.

Αυτό σημαίνει ότι ένα πλήθος φαινομενικά συνηθισμένων υλικών μπορεί να έχει κρυφές - αλλά ασυνήθιστες και πιθανώς χρήσιμες - ιδιότητες. Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο διαδίκτυο, ο Wilczek και ο Qing-Dong Jiang, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης, προτείνουν έναν νέο τρόπο για να ανακαλύψετε τέτοιες ιδιότητες:ανιχνεύοντας μια λεπτή αύρα που περιβάλλει το υλικό, κάτι που έχουν ονομάσει κβαντική ατμόσφαιρα.

Ορισμένες από τις θεμελιώδεις κβαντικές ιδιότητες ενός υλικού θα μπορούσαν να εκδηλωθούν σε αυτήν την ατμόσφαιρα, τις οποίες οι φυσικοί θα μπορούσαν στη συνέχεια να μετρήσουν. Εάν επιβεβαιωθεί σε πειράματα, όχι μόνο αυτό το φαινόμενο θα ήταν μία από τις λίγες μόνο μακροσκοπικές συνέπειες της κβαντικής μηχανικής, είπε ο Wilczek, αλλά θα μπορούσε επίσης να είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την εξερεύνηση μιας σειράς νέων υλικών.

«Αν με ρωτούσατε αν θα μπορούσε να συμβεί κάτι τέτοιο, θα έλεγα ότι φαίνεται λογική ιδέα», είπε ο Taylor Hughes, θεωρητικός της συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Illinois, Urbana-Champaign. Αλλά, πρόσθεσε, «θα φανταζόμουν ότι το αποτέλεσμα ήταν πολύ μικρό». Στη νέα ανάλυση, ωστόσο, οι Jiang και Wilczek υπολόγισαν ότι, κατ' αρχήν, ένα κβαντικό ατμοσφαιρικό φαινόμενο θα ήταν αρκετά εντός του εύρους ανιχνευσιμότητας.

Όχι μόνο αυτό, είπε ο Wilczek, αλλά η ανίχνευση τέτοιων επιπτώσεων μπορεί να είναι εφικτή νωρίτερα παρά αργότερα.

Μια ζώνη επιρροής

Μια κβαντική ατμόσφαιρα, εξήγησε ο Wilczek, είναι μια λεπτή ζώνη επιρροής γύρω από ένα υλικό. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, το κενό δεν είναι εντελώς άδειο. μάλλον, είναι γεμάτο με κβαντικές διακυμάνσεις. Για παράδειγμα, εάν πάρετε δύο μη φορτισμένες πλάκες και τις φέρετε μαζί στο κενό, μόνο κβαντικές διακυμάνσεις με μήκη κύματος μικρότερα από την απόσταση μεταξύ των πλακών μπορούν να συμπιεστούν μεταξύ τους. Έξω από τις πλάκες, ωστόσο, μπορούν να χωρέσουν διακυμάνσεις όλων των μηκών κύματος. Η ενέργεια έξω θα είναι μεγαλύτερη από την εσωτερική, με αποτέλεσμα μια καθαρή δύναμη που ωθεί τις πλάκες μεταξύ τους. Ονομάζεται φαινόμενο Casimir, αυτό το φαινόμενο είναι παρόμοιο με την επιρροή από μια κβαντική ατμόσφαιρα, είπε ο Wilczek.

Ακριβώς όπως μια πλάκα αισθάνεται μια ισχυρότερη δύναμη καθώς πλησιάζει σε μια άλλη, ένας ανιχνευτής που μοιάζει με βελόνα θα αισθανόταν μια επίδραση από την κβαντική ατμόσφαιρα καθώς πλησιάζει ένα υλικό. «Είναι ακριβώς όπως κάθε ατμόσφαιρα», είπε ο Wilczek. «Το πλησιάζεις και αρχίζεις να βλέπεις την επιρροή του». Και η φύση αυτής της επιρροής εξαρτάται από τις κβαντικές ιδιότητες του ίδιου του υλικού.

Αυτές οι ιδιότητες μπορεί να είναι εξαιρετικές. Ορισμένα υλικά λειτουργούν σαν τα δικά τους σύμπαντα με τους δικούς τους φυσικούς νόμους, σαν να αποτελούν αυτό που πρόσφατα ονομάστηκε πολυσύμπαν υλικών. "Μια πολύ σημαντική ιδέα στη σύγχρονη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης είναι ότι έχουμε στην κατοχή μας αυτά τα υλικά - ας πούμε, έναν τοπολογικό μονωτή - τα οποία έχουν διαφορετικά σύνολα κανόνων μέσα τους", δήλωσε ο Peter Armitage, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins. /P>

Ορισμένα υλικά, για παράδειγμα, φιλοξενούν αντικείμενα που λειτουργούν ως μαγνητικά μονόπολα — σημειακοί μαγνήτες με βόρειο πόλο αλλά όχι νότιο πόλο. Οι φυσικοί έχουν επίσης ανιχνεύσει τα λεγόμενα οιονεί σωματίδια με κλασματικό ηλεκτρικό φορτίο και οιονεί σωματίδια που λειτουργούν ως δική τους αντιύλη, με την ικανότητα να εκμηδενίζονται.

Εάν υπάρχουν παρόμοιες εξωτικές ιδιότητες σε άλλα υλικά, θα μπορούσαν να αποκαλυφθούν σε κβαντικές ατμόσφαιρες. Θα μπορούσατε, κατ' αρχήν, να ανακαλύψετε κάθε είδους νέες ιδιότητες απλώς διερευνώντας τις ατμόσφαιρες των υλικών, είπε ο Wilczek.

Για να δείξουν την ιδέα τους, οι Jiang και Wilczek εστίασαν σε ένα ανορθόδοξο σύνολο κανόνων που ονομάζεται ηλεκτροδυναμική του άξονα, το οποίο θα μπορούσε να οδηγήσει σε μοναδικές ιδιότητες. Ο Wilczek δημιούργησε τη θεωρία το 1987 για να περιγράψει πώς ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται άξιον θα αλληλεπιδράσει με τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό. (Οι φυσικοί είχαν προηγουμένως προτείνει το άξιον ως λύση σε ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα ερωτήματα της φυσικής:γιατί οι αλληλεπιδράσεις που περιλαμβάνουν την ισχυρή δύναμη είναι ίδιες ακόμα και όταν τα σωματίδια ανταλλάσσονται με τα αντισωματίδια τους και αντανακλώνται σε έναν καθρέφτη, διατηρώντας τη λεγόμενη συμμετρία φορτίου και ισοτιμίας .) Μέχρι σήμερα, κανείς δεν έχει βρει στοιχεία ότι υπάρχουν άξιον, παρόλο που πρόσφατα έχουν συγκεντρώσει νέο ενδιαφέρον ως υποψήφιοι για τη σκοτεινή ύλη.

Αν και αυτοί οι κανόνες δεν φαίνεται να ισχύουν στο μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος, αποδεικνύεται ότι μπορούν να ισχύουν μέσα σε ένα υλικό όπως ένας τοπολογικός μονωτήρας. "Ο τρόπος με τον οποίο τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία αλληλεπιδρούν με αυτά τα νέα είδη ύλης που ονομάζονται τοπολογικοί μονωτές είναι βασικά με τον ίδιο τρόπο με τον οποίο θα αλληλεπιδρούν με μια συλλογή αξόνων", είπε ο Wilczek.

Ελαττώματα διαμαντιού

Εάν ένα υλικό όπως ένας τοπολογικός μονωτήρας υπακούει στην ηλεκτροδυναμική του άξονα, η κβαντική του ατμόσφαιρα θα μπορούσε να προκαλέσει μια ενδεικτική επίδραση σε οτιδήποτε περνά στην ατμόσφαιρα. Οι Jiang και Wilczek υπολόγισαν ότι ένα τέτοιο φαινόμενο θα ήταν παρόμοιο με αυτό ενός μαγνητικού πεδίου. Συγκεκριμένα, διαπίστωσαν ότι αν τοποθετούσατε κάποιο σύστημα ατόμων ή μορίων στην ατμόσφαιρα, τα κβαντικά τους επίπεδα ενέργειας θα αλλοιωνόταν. Ένας ερευνητής θα μπορούσε στη συνέχεια να μετρήσει αυτά τα τροποποιημένα επίπεδα χρησιμοποιώντας τυπικές εργαστηριακές τεχνικές. «Είναι μια αντισυμβατική αλλά αρκετά ενδιαφέρουσα ιδέα», είπε ο Armitage.

Ένα τέτοιο δυνητικό σύστημα είναι ένας ανιχνευτής διαμαντιού εμποτισμένος με χαρακτηριστικά που ονομάζονται κέντρα κενού αζώτου (NV). Ένα κέντρο NV είναι ένας τύπος ελαττώματος στην κρυσταλλική δομή ενός διαμαντιού όπου μερικά από τα άτομα άνθρακα του διαμαντιού ανταλλάσσονται με άτομα αζώτου και όπου το σημείο δίπλα στο άζωτο είναι κενό. Η κβαντική κατάσταση αυτού του συστήματος είναι εξαιρετικά ευαίσθητη, επιτρέποντας στα κέντρα NV να μυρίζουν ακόμη και πολύ ασθενή μαγνητικά πεδία. Αυτή η ιδιότητα τα καθιστά ισχυρούς αισθητήρες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ποικίλες εφαρμογές στη γεωλογία και τη βιολογία.

«Αυτή είναι μια καλή απόδειξη αρχής», είπε ο Hughes. Μια εφαρμογή, πρόσθεσε, θα μπορούσε να είναι η χαρτογράφηση των ιδιοτήτων ενός υλικού. Περνώντας ένα κέντρο NV σε ένα υλικό όπως ένας τοπολογικός μονωτήρας, μπορείτε να προσδιορίσετε πώς οι ιδιότητές του μπορεί να διαφέρουν κατά μήκος της επιφάνειας.

Η εργασία των Jiang και Wilczek, την οποία έχουν υποβάλει στο Physical Review Letters , περιγράφει λεπτομερώς μόνο την κβαντική ατμοσφαιρική επίδραση που προέρχεται από την ηλεκτροδυναμική του άξονα. Για να προσδιορίσετε πώς άλλα είδη ιδιοτήτων επηρεάζουν μια ατμόσφαιρα, είπε ο Wilczek, θα πρέπει να κάνετε διαφορετικούς υπολογισμούς.

Διακοπή συμμετριών

Βασικά, οι ιδιότητες που αποκαλύπτουν οι κβαντικές ατμόσφαιρες είναι συμμετρίες. Οι διαφορετικές φάσεις της ύλης, και οι ιδιότητες μοναδικές σε μια φάση, μπορούν να θεωρηθούν ως προς τη συμμετρία. Σε έναν στερεό κρύσταλλο, για παράδειγμα, τα άτομα είναι διατεταγμένα σε ένα συμμετρικό πλέγμα που μετατοπίζεται ή περιστρέφεται για να σχηματίσει ένα πανομοιότυπο κρυσταλλικό σχέδιο. Ωστόσο, όταν εφαρμόζετε θερμότητα, οι δεσμοί σπάνε, η δομή του πλέγματος καταρρέει και το υλικό — τώρα ένα υγρό με σημαντικά διαφορετικές ιδιότητες — χάνει τη συμμετρία του.

Τα υλικά μπορούν να σπάσουν άλλες θεμελιώδεις συμμετρίες, όπως η συμμετρία αντιστροφής χρόνου που υπακούουν οι περισσότεροι νόμοι της φυσικής. Ή τα φαινόμενα μπορεί να είναι διαφορετικά όταν τα κοιτάμε στον καθρέφτη, παραβίαση της συμμετρίας ισοτιμίας.

Το αν αυτές οι συμμετρίες διασπώνται σε ένα υλικό θα μπορούσε να σημαίνει προηγουμένως άγνωστες μεταβάσεις φάσης και δυνητικά εξωτικές ιδιότητες. Ένα υλικό με ορισμένες σπασμένες συμμετρίες θα προκαλούσε τις ίδιες παραβιάσεις σε έναν ανιχνευτή που βρίσκεται μέσα στην κβαντική του ατμόσφαιρα, είπε ο Wilczek. Για παράδειγμα, σε ένα υλικό που προσκολλάται στην ηλεκτροδυναμική του άξονα, η συμμετρία χρόνου και ισοτιμίας σπάνε το καθένα, αλλά ο συνδυασμός των δύο δεν είναι. Ανιχνεύοντας την ατμόσφαιρα ενός υλικού, θα μπορούσατε να μάθετε εάν ακολουθεί αυτό το μοτίβο που σπάει τη συμμετρία και σε ποιο βαθμό — και επομένως τι παράξενες συμπεριφορές μπορεί να έχει, είπε.

«Ορισμένα υλικά θα σπάσουν κρυφά συμμετρίες που δεν γνωρίζαμε και που δεν υποψιαζόμασταν», είπε. "Φαίνονται πολύ αθώοι, αλλά κατά κάποιο τρόπο κρύβονται κρυφά."

Ο Wilczek είπε ότι έχει ήδη μιλήσει με πειραματιστές που ενδιαφέρονται να δοκιμάσουν την ιδέα. Επιπλέον, είπε, τα πειράματα θα πρέπει να είναι άμεσα εφικτά, ελπίζουμε ότι θα πραγματοποιηθούν όχι σε χρόνια, αλλά μόνο σε εβδομάδες και μήνες.

Εάν όλα πάνε καλά, τότε ο όρος «κβαντική ατμόσφαιρα» μπορεί να βρει ένα μόνιμο σημείο στο λεξικό της φυσικής. Ο Wilczek έχει επινοήσει στο παρελθόν όρους όπως axions, anyons (οιονεί σωματίδια που μπορεί να είναι χρήσιμα για τον κβαντικό υπολογισμό) και κρύσταλλοι χρόνου (δομές που κινούνται σε κανονικά και επαναλαμβανόμενα μοτίβα χωρίς να χρησιμοποιούν ενέργεια). Έχει ένα καλό ιστορικό να βρει ονόματα που κολλάνε, είπε ο Armitage. "Οι "κβαντικές ατμόσφαιρες" είναι άλλο ένα καλό."