Το σχεδόν μαγικό μυστήριο των οιονεί σωματιδίων

Ξυπνώντας σε μια εναλλακτική πραγματικότητα, ο Χάρι Κιμ, ένας αξιωματικός στο διαστημόπλοιο USS Voyager, δημιουργεί μια παραμόρφωση στο χωροχρονικό συνεχές με μια δέσμη πολαρόνων. Ακούγεται σαν επιστημονική φαντασία; Λοιπόν, ναι, αλλά μόνο εν μέρει.

«Star Trek συνήθιζε να παίρνει τα ονόματα πραγματικών οιονεί σωματιδίων και να τους αποδίδει μαγικές ιδιότητες», δήλωσε ο Douglas Natelson, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Rice στο Τέξας, του οποίου η δουλειά περιλαμβάνει τη δημιουργία πραγματικών οιονεί σωματιδίων με σχεδόν μαγικές ιδιότητες.

Τα οιονεί σωματίδια είναι ένα είδος σωματιδίων. Αποκλείεται η είσοδος από την αποκλειστική λέσχη των 17 «θεμελιωδών» σωματιδίων που πιστεύεται ότι είναι τα δομικά στοιχεία όλης της υλικής πραγματικότητας, τα οιονεί σωματίδια αναδύονται από τις περίπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ τεράστιου αριθμού αυτών των θεμελιωδών σωματιδίων. Οι φυσικοί μπορούν να πάρουν ένα στερεό, υγρό ή πλάσμα που αποτελείται από έναν τεράστιο αριθμό σωματιδίων, να το υποβάλουν σε ακραίες θερμοκρασίες και πιέσεις και να περιγράψουν το προκύπτον σύστημα ως μερικές ισχυρές, σωματιδιακές οντότητες. Τα αναδυόμενα οιονεί σωματίδια μπορεί να είναι αρκετά σταθερά με καλά καθορισμένες ιδιότητες όπως μάζα και φορτίο.

Οι Polarons, για παράδειγμα, ανακαλύφθηκαν από τον Lev Landau το 1933 και έλαβαν μέρος στο Star Trek:Voyager το 1995, υλοποιούνται όταν πολλά ηλεκτρόνια παγιδεύονται μέσα σε έναν κρύσταλλο. Η ώθηση και το τράβηγμα μεταξύ κάθε ηλεκτρονίου και όλων των σωματιδίων στο περιβάλλον του «ντύνει» το ηλεκτρόνιο έτσι ώστε να λειτουργεί σαν οιονεί σωματίδιο με μεγαλύτερη μάζα.

Σε άλλους τύπους συμπυκνωμένης ύλης που έχουν κυριαρχήσει στην έρευνα τις τελευταίες δεκαετίες, τα πράγματα γίνονται πολύ πιο περίεργα. Οι ερευνητές μπορούν να δημιουργήσουν οιονεί σωματίδια που έχουν ένα ακριβές κλάσμα του φορτίου ή του σπιν του ηλεκτρονίου (ένα είδος εγγενούς γωνιακής ορμής). Το πώς αναδύονται αυτές οι εξωτικές ιδιότητες δεν είναι ακόμα κατανοητό. «Είναι κυριολεκτικά σαν μαγεία», είπε ο Sankar Das Sarma, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Maryland.

Χρησιμοποιώντας διαίσθηση, μορφωμένες εικασίες και προσομοιώσεις υπολογιστή, οι φυσικοί της συμπυκνωμένης ύλης έχουν γίνει καλύτεροι στο να καταλάβουν ποια οιονεί σωματίδια είναι θεωρητικά πιθανά. Εν τω μεταξύ στο εργαστήριο, καθώς οι φυσικοί ωθούν τα νέα υλικά σε νέα άκρα, ο ζωολογικός κήπος των οιονεί σωματιδίων έχει αναπτυχθεί γρήγορα και γίνεται όλο και πιο εξωτικός. «Είναι πραγματικά ένα πανύψηλο πνευματικό επίτευγμα», είπε ο Natelson.

Οι πρόσφατες ανακαλύψεις περιλαμβάνουν pi-tons, ακίνητα φράκτον και στρεβλωμένες ρυτίδες. «Σκεφτόμαστε τώρα τα οιονεί σωματίδια με ιδιότητες που δεν είχαμε ποτέ πραγματικά ονειρευτεί πριν», είπε ο Steve Simon, ένας θεωρητικός φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης.

Εδώ είναι μερικά από τα πιο περίεργα και δυνητικά χρήσιμα οιονεί σωματίδια.

Κβαντικός Υπολογισμός με Majoranas

Ένα από τα πρώτα οιονεί σωματίδια που ανακαλύφθηκαν ήταν μια «τρύπα»:απλώς η απουσία ηλεκτρονίου σε ένα μέρος όπου θα έπρεπε να υπάρχει. Οι φυσικοί στη δεκαετία του 1940 ανακάλυψαν ότι τρύπες αναπηδούν μέσα σε στερεά σαν θετικά φορτισμένα σωματίδια. Πιο περίεργα ακόμα - και δυνητικά πολύ χρήσιμα - είναι τα ημισωματίδια Majorana που υποτίθεται ότι έχουν μια διχασμένη προσωπικότητα:Είναι μισό ηλεκτρόνιο και μισή τρύπα ταυτόχρονα. «Είναι τόσο τρελό», είπε ο Ντας Σάρμα.

Το 2010, ο Das Sarma και οι συνεργάτες του υποστήριξαν ότι τα οιονεί σωματίδια Majorana θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία κβαντικών υπολογιστών. Όταν μετακινείτε το ηλεκτρόνιο και την οπή το ένα γύρω από το άλλο, αποθηκεύουν πληροφορίες, σαν ένα σχέδιο πλεγμένο σε δύο σχοινιά. Διαφορετικές ανατροπές αντιστοιχούν στα 1, 0 και στις υπερθέσεις των 1 και 0 που είναι τα bit του κβαντικού υπολογισμού.

Οι προσπάθειες για την κατασκευή αποτελεσματικών κβαντικών υπολογιστών έχουν μέχρι στιγμής σκοντάψει επειδή οι κβαντικές υπερθέσεις των περισσότερων τύπων σωματιδίων καταρρέουν όταν θερμαίνονται πολύ ή όταν συγκρούονται με άλλα σωματίδια. Δεν ισχύει για τα οιονεί σωματίδια Majorana. Η ασυνήθιστη σύνθεσή τους τα προικίζει με μηδενική ενέργεια και μηδενικό φορτίο, και αυτό θεωρητικά τους επιτρέπει να υπάρχουν βαθιά μέσα σε έναν συγκεκριμένο τύπο υπεραγωγού, ένα υλικό που άγει τον ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση. Δεν υπάρχουν άλλα σωματίδια εκεί, δημιουργώντας ένα «κενό» που καθιστά αδύνατη τη διάσπαση της Majorana. «Το υπεραγώγιμο χάσμα προστατεύει τη Majorana», είπε ο Das Sarma — τουλάχιστον θεωρητικά.

Από το 2010, οι πειραματιστές αγωνίζονται για την κατασκευή πραγματικών οιονεί σωματιδίων Majorana από ένα περίπλοκο συγκρότημα ενός υπεραγωγού, ενός νανοσύρματος και ενός μαγνητικού πεδίου. Το 2018, μια ομάδα ερευνητών ανέφερε στο Nature ότι είχαν παρατηρήσει βασικές υπογραφές του Majoranas. Ωστόσο, εξωτερικοί εμπειρογνώμονες αμφισβήτησαν πτυχές της ανάλυσης δεδομένων και νωρίτερα αυτόν τον μήνα το έγγραφο ανακλήθηκε.

Είναι άλλο πράγμα να σκέφτεσαι ένα πιθανό οιονείσωματίδιο και άλλο να το παρατηρείς σε ένα πείραμα όπου οι θερμοκρασίες είναι κοντά στο απόλυτο μηδέν, τα δείγματα κατασκευάζονται άτομο προς άτομο και οι μικροσκοπικές ακαθαρσίες μπορούν να εκτροχιάσουν τα πάντα.

Ο Das Sarma δεν πτοείται. «Σας εγγυώμαι ότι η Majorana θα φανεί, γιατί η θεωρία της είναι παρθένα. Αυτό είναι ένα πρόβλημα μηχανικής. αυτό δεν είναι πρόβλημα φυσικής», είπε.

Μια μαύρη τρύπα από πολαρίτονες

Ο αναπτυσσόμενος ζωολογικός κήπος σχεδόν σωματιδίων, με τη σειρά από ασυνήθιστους χαρακτήρες, προσφέρει στους φυσικούς μια εργαλειοθήκη με την οποία μπορούν να δημιουργήσουν ανάλογα άλλων συστημάτων στα οποία είναι δύσκολο ή αδύνατο να προσπελαστούν, όπως οι μαύρες τρύπες.

«Με αυτά τα ανάλογα θέλουμε να πάμε και να διερευνήσουμε τη φυσική που δεν μπορούμε να αγγίξουμε με τα χέρια μας», δήλωσε ο Maxime Jacquet από το Εργαστήριο Kastler–Brossel στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης στο Παρίσι.

Οι μαύρες τρύπες σχηματίζονται στον κόσμο όπου η βαρύτητα γίνεται τόσο ισχυρή που ακόμη και το φως δεν μπορεί να διαφύγει. Μπορείτε να κάνετε ένα απλό ανάλογο μιας μαύρης τρύπας τραβώντας το βύσμα της μπανιέρας σας και βλέποντας το νερό να στροβιλίζεται στην αποχέτευση:Τα κύματα του νερού που πλησιάζουν πολύ την αποχέτευση αναρροφούνται αναπόφευκτα στη δίνη. Μπορείτε να κάνετε ένα ακόμη καλύτερο ανάλογο —όπως κάνουν ο Jacquet και οι συνεργάτες του— με τα οιονεί σωματίδια που ονομάζονται πολαριτόνια.

Οι πολίτες είναι μείγματα ύλης και φωτός. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν δύο καθρέφτες για να παγιδεύσουν ένα φωτόνιο μέσα σε ένα κλουβί που περιέχει επίσης ένα εξιτόνιο, το ίδιο ένα είδος οιονεί σωματιδίου που αποτελείται από ένα ηλεκτρόνιο και μια τρύπα που περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο. (Ένα εξιτόνιο διαφέρει από ένα οιονείσωματίδιο Majorana, το οποίο είναι μισό ηλεκτρόνιο και μισή τρύπα στο ίδιο σημείο την ίδια στιγμή.) Το φωτόνιο αναπηδά εμπρός-πίσω μεταξύ των κατόπτρων περίπου ένα εκατομμύριο φορές προτού διαφύγει και καθώς αναπηδήσει το φωτόνιο αναμειγνύεται με το εξιτόνιο για να σχηματίσει ένα πολάριο. Πολλά φωτόνια και εξιτόνια εγκλωβίζονται και συνδυάζονται με αυτόν τον τρόπο, και αυτά τα πολαριτόνια συμπεριφέρονται μαζικά σαν υγρό φως, το οποίο είναι χωρίς τριβή και δεν διασκορπίζεται. Οι ερευνητές έχουν σχεδιάσει τη ροή αυτών των πολαριτόνων για να μιμούνται τον τρόπο με τον οποίο το φως κινείται γύρω από μια μαύρη τρύπα.

Το υγρό φως δεν είναι σταθερό και τελικά το φωτόνιο διαφεύγει. Αυτό το κλουβί που διαρρέει είναι που επιτρέπει στον Jacquet να μελετήσει πώς οι μαύρες τρύπες εξελίσσονται με το χρόνο. Ο βραβευμένος με Νόμπελ μαθηματικός φυσικός Roger Penrose θεώρησε ότι οι περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες μπορούν να χάσουν ενέργεια και σταδιακά να επιβραδύνουν. Ο Jacquet σχεδιάζει να δοκιμάσει αυτή την ιδέα με πολάριτον.

"Κανείς δεν μπορεί να σας το πει αυτό με την αστροφυσική, αλλά μπορούμε", είπε ο Jacquet, αναγνωρίζοντας ότι είναι ένα "άλμα" από αυτά τα εργαστηριακά πειράματα στην εξέλιξη των πραγματικών μαύρων τρυπών.

Αιώνια Magnons

Εάν ένα οιονεί σωματίδιο μπορεί να διασπαστεί, τελικά θα διασπαστεί. Ένα μανιόν, για παράδειγμα — ένα οιονεί σωματίδιο φτιαγμένο από κομμάτια μαγνητικού πεδίου σε κίνηση κατά μήκος ενός υλικού — μπορεί να διασπαστεί σε δύο άλλα μανιόν, εφόσον η ενέργεια αυτών των προϊόντων δεν είναι μεγαλύτερη από αυτή του αρχικού μανιόν.

Ωστόσο, τα οιονεί σωματίδια είναι αρκετά σταθερά, υποτίθεται για δύο λόγους:Αναδύονται από συστήματα που διατηρούνται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, επομένως έχουν λίγη ενέργεια στην αρχή, και αλληλεπιδρούν μόνο ασθενώς μεταξύ τους, επομένως υπάρχουν λίγες διαταραχές που προκαλούν φθορά. "Όταν υπάρχει πολλή ώθηση και έλξη, η αφελής προσδοκία ήταν ότι η αποσύνθεση θα συμβεί μόνο πιο γρήγορα", δήλωσε ο Ruben Verresen, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.

Αλλά η έρευνα του Verresen έχει ανατρέψει αυτή την εικόνα στο κεφάλι της. Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε το 2019, ο ίδιος και οι συνάδελφοί του περιέγραψαν πώς μοντελοποίησαν θεωρητικά τα αποσυντιθέμενα οιονεί σωματίδια και στη συνέχεια αύξησαν σταδιακά τη δύναμη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους για να δουν τι συνέβη. Στην αρχή τα οιονεί σωματίδια διασπάστηκαν πιο γρήγορα, όπως αναμενόταν. Αλλά στη συνέχεια - προς έκπληξη του Verresen - όταν η δύναμη της αλληλεπίδρασης έγινε πολύ ισχυρή, τα οιονεί σωματίδια αναπήδησαν πίσω. "Ξαφνικά έχετε ξανά ένα οιονεί σωματίδιο που είναι απείρως μακρόβιο", είπε.

Στη συνέχεια, η ομάδα διεξήγαγε μια προσομοίωση υπολογιστή εξερευνώντας τη συμπεριφορά ενός εξαιρετικά ψυχρού μαγνήτη και είδε να αναδύονται μάγνονες που δεν αποσυντέθηκαν. Έδειξαν ότι η νέα κατανόησή τους για τα ισχυρά αλληλεπιδρώντα οιονεί σωματίδια θα μπορούσε να εξηγήσει μερικά αινιγματικά χαρακτηριστικά που παρατηρήθηκαν σε πειράματα magnon από το 2017. Περισσότερο από μια καθαρή θεωρία, αυτά τα αιώνια μάγκον πραγματοποιούνται στη φύση.

Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι τα οιονεί σωματίδια μπορεί να είναι πολύ πιο εύρωστα από ό,τι πίστευαν κάποτε οι ερευνητές. Η γραμμή μεταξύ σωματιδίου και οιονεί σωματιδίου γίνεται θολή. "Δεν βλέπω μια θεμελιώδη διαφορά", είπε ο Verresen.

Τα οιονεί σωματίδια προκύπτουν από διάταξη πολλών σωματιδίων. Αλλά αυτό που ονομάζουμε θεμελιώδη σωματίδια, όπως κουάρκ, φωτόνια και ηλεκτρόνια, μπορεί να μην είναι τόσο στοιχειώδες όσο νομίζουμε. Μερικοί φυσικοί υποπτεύονται ότι αυτά τα φαινομενικά θεμελιώδη σωματίδια αναδύονται επίσης — αν και από ό,τι ακριβώς, κανείς δεν μπορεί να πει.

«Δεν γνωρίζουμε τη θεμελιώδη θεωρία από την οποία πραγματικά προκύπτουν τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια και ούτω καθεξής. Πιστεύουμε ότι υπάρχει κάποιο ενοποιητικό πλαίσιο», δήλωσε ο Leon Balents, ένας θεωρητικός που ερευνά τις κβαντικές καταστάσεις της ύλης στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα. «Τα πράγματα που θεωρούμε θεμελιώδη σωματίδια πιθανότατα δεν είναι θεμελιώδη. είναι οιονεί σωματίδια κάποιας άλλης θεωρίας."

Διόρθωση:24 Μαρτίου 2021

Η ανάρτηση ιστολογίου διορθώθηκε για να αντικατοπτρίζει την τρέχουσα συνεργασία του Maxime Jacquet στο Εργαστήριο Kastler–Brossel στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης στο Παρίσι, αντί στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης, όπου εργαζόταν μέχρι πέρυσι.