I løpet av de siste årene har noen materialer blitt beviselig grunnlag for fysikere. Disse materialene er ikke akkurat laget av noe spesielt - vanlige partikler, protoner, nøytroner og elektroner. Men de er mer enn bare summen av delene. Disse materialene har en hel rekke interessante egenskaper og fenomener, og noen ganger førte fysikere til nye materielle tilstander - i tillegg til faste, gassformige og flytende, som vi har kjent fra barndommen.
En type materiale som fysikere er spesielt bekymret for, er den topologiske isolatoren - og mer bredt de topologiske fasene, hvis teoretiske grunnlag førte oppfinnerne deres til Nobelprisen i 2016. På overflaten til en topologisk isolator flyter elektronene jevnt, men inne står de ubevegelige. Overflaten er som en metallleder og innsiden er som en keramisk isolator. Topologiske isolatorer har vakt oppmerksomhet for sin uvanlige fysikk, så vel som for deres potensielle applikasjoner i kvantecomputere og såkalte spintronic-enheter som bruker dreining av elektroner og deres ladning.
Denne eksotiske oppførselen er ikke alltid åpenbar. "Du kan ikke bare si det, hvis du ser på et materiale i tradisjonell forstand, enten det har denne typen egenskaper eller ikke," sier Frank Wilczek, en fysiker ved Massachusetts Institute of Technology og en nobelprisvinner i fysikk i 2004.
Hva annet er en kvanteatmosfære?
Det viser seg at mange tilsynelatende vanlige materialer kan inneholde skjulte, men uvanlige og, muligens, nyttige egenskaper. I et nylig publisert papir foreslo Wilchek og Kin-Dong Zhang, en fysiker ved Stockholms universitet, en ny måte å utforske slike egenskaper: ved å studere den subtile auraen som omgir materialet. De kalte det kvanteatmosfæren.
Denne atmosfæren kan avsløre noen av de grunnleggende kvanteegenskapene til materialet som fysikere deretter kunne måle. Hvis bekreftet av eksperimenter, vil dette fenomenet ikke bare være en av få makroskopiske manifestasjoner av kvantemekanikk, sier Wilchek, men det vil også bli et kraftig verktøy for å forske på nye materialer.
"Hvis du spurte meg om noe slikt kunne skje, vil jeg si at ideen er fornuftig," sier Taylor Hughes, en kondensert teoretiker ved University of Illinois i Urbana-Champaign. Og han legger til: "Jeg antar at effekten vil være veldig svak." I sin nye analyse beregnet Zhang og Vilchek imidlertid at den kvante atmosfæriske effekten i prinsippet ville være innenfor det detekterbare området.
Salgsfremmende video:
Videre, bemerker Wilchek, kan slike effekter oppdages ganske snart.
Påvirkningsområde
Kvanteatmosfæren, forklarer Wilczek, er en tynn sone for innflytelse rundt et materiale. Det følger av kvantemekanikken at vakuumet ikke er helt tomt; den er fylt med kvantumsvingninger. Hvis du for eksempel tar to uladede plater og plasserer dem side om side i et vakuum, kan bare kvantumsvingninger med bølgelengder kortere enn avstanden mellom platene klemme mellom dem. Men utenfra vil svingninger av alle bølgelengder falle på platene. Det vil være mer energi ute enn inni, noe som vil føre til at den kombinerte kraften presser platene sammen. Dette er Casimir-effekten og ligner på effekten av kvanteatmosfæren, sier Wilczek.
Akkurat som en plate opplever en sterkere kraft når den nærmer seg en annen, vil en nålesonde føle effekten av kvanteatmosfæren når den nærmer seg et materiale. "Det er som en normal atmosfære," sier Wilchek. "Jo nærmere du er det, desto større er virkningen." Og arten av denne påvirkningen avhenger av kvanteegenskapene til selve materialet.
Antimon kan fungere som en topologisk isolator - materiale som fungerer som en isolator overalt bortsett fra overflaten.
Disse egenskapene kan være veldig forskjellige. Noen materialer fungerer som separate universer med sine egne fysiske lover, som om de er i mangfoldet av materialer. "En veldig viktig idé innen moderne fysikk av kondensert materie er at vi har materialer til disposisjon - for eksempel topologiske isolatorer - som et annet regelverk fungerer innenfor," sier Peter Armitage, fysiker av kondensert materiale ved Johns Hopkins University.
Noen materialer fungerer som magnetiske monopoler - punktmagneter med en nordpol, men ingen sørpol. Fysikere har også oppdaget de såkalte fraksjonelle elektriske ladningskvasipartikler og kvasipartikler, som fungerer som deres eget antimateriale og kan utslette.
Hvis lignende eksotiske egenskaper fantes i andre materialer, kunne de avsløre seg i kvanteatmosfærer. En hel rekke nye eiendommer kan avdekkes bare ved å undersøke atmosfære av materialer, sier Wilchek.
For å demonstrere ideen deres, fokuserte Zhang og Wilchek på et uvanlig sett med regler - aksjonselektrodynamikk - som kan føre til unike egenskaper. Wilchek kom med denne teorien i 1987 for å demonstrere hvordan en hypotetisk partikkel kalt en aksjon kunne samhandle med elektrisitet og magnetisme. (Før dette la fysikere frem en aksjon for å løse et av fysikkens største mysterier: hvorfor interaksjoner som involverer en sterk kraft forblir de samme hvis partikler erstattes av antipartikler og reflekteres i et speil, og bevarer symmetrien for ladning og paritet (CP-symmetri). Fram til den dagen hadde ingen funnet noen bekreftelse av eksistensen av aksjoner, selv om det ikke for så lenge siden har vært en økt interesse for dem som kandidater for mørk materie.
Selv om disse reglene ikke vil fungere de fleste steder i universet, manifesterer de seg ganske godt i et materiale - for eksempel en topologisk isolator. "Hvordan elektromagnetiske felt samvirker i disse nye stoffene, topologiske isolatorer, er i hovedsak den samme som om de hadde samspill med en samling aksjoner," sier Wilczek.
Defekter i diamanter
Hvis et materiale som en topologisk isolator adlyder lovene i aksiell elektrodynamikk, kan dens kvanteatmosfære reagere på alt som krysser det. Zhang og Vilchek beregnet at en slik effekt ville være lik manifestasjonen av et magnetfelt. Spesielt fant de ut at hvis du setter et bestemt system med atomer eller molekyler i atmosfæren, endres kvanteenerginivået deres. Forskere kan måle endringen i disse nivåene ved å bruke standard laboratoriemetoder. "Det er en uvanlig, men interessant idé," sier Armitage.
Et av disse potensielle systemene er en diamantsonde med såkalte nitrogen-substituerte ledige stillinger (NV-sentre). Et NV-senter er en slags defekt i krystallstrukturen til en diamant, når et karbonatom i en diamant erstattes av et nitrogenatom, og et sted nær nitrogen forblir tomt. Kvantetilstanden til et slikt system er svært følsom, noe som gjør at NV-sentre kan føle selv de svakeste magnetfeltene. Denne egenskapen gjør dem til kraftige sensorer som kan brukes til en rekke formål innen geologi og biologi.
Artikkelen fra Zhang og Vilchek, som de sendte inn til Physical Review Letters, beskriver bare kvantet atmosfærisk påvirkning avledet fra aksionisk elektrodynamikk. For å bestemme hvilke andre egenskaper som påvirker atmosfæren, sier Wilchek, må andre beregninger gjøres.
Brytende symmetri
I hovedsak er egenskapene som kvanteatmosfærer avslører, representert av symmetrier. De forskjellige faser av et stoff, og egenskapene som tilsvarer dem, kan representeres i form av symmetrier. I en fast krystall, for eksempel, er atomene anordnet i et symmetrisk gitter som forskyver eller roterer for å danne identiske krystallmønstre. Når du varmer den opp, brytes bindingene, gitterstrukturen kollapser, materialet mister symmetrien og blir flytende på en måte.
Materialer kan bryte andre grunnleggende symmetrier, for eksempel gjensidig tidssymmetri, som de fleste fysiske lover overholder. Fenomenene kan være forskjellige hvis du reflekterer dem i et speil og bryter paritetssymmetrien.
Hvis disse symmetriene kan brytes i materialet, kan vi observere tidligere ukjente faseoverganger og potensielt eksotiske egenskaper. Materiale med viss symmetribryting vil forårsake samme sammenbrudd i en sonde som går gjennom kvanteatmosfæren, sier Wilczek. For eksempel, i et stoff som følger aksionisk termodynamikk, er symmetri av både tid og paritet ødelagt, men i kombinasjon er de det ikke. Ved å berøre atmosfæren i materialet, kan du finne ut om og i hvilken grad det bryter symmetri.
Wilchek sier at han allerede har diskutert ideen med eksperimentene. Dessuten er disse eksperimentene ganske gjennomførbare, selv ikke om år, men i uker og måneder.
Hvis alt ordner seg, vil begrepet "kvanteatmosfære" finne en permanent plass i fysikernes leksikon. Tidligere hadde Wilczek allerede myntet uttrykk som aksjoner, anioner (kvasipartikler som kan være nyttige for kvanteberegning) og tidskrystaller. Kvanteatmosfærer kan også somle.
Ilya Khel
