I løbet af de sidste par år er nogle materialer blevet bevisende grund for fysikere. Disse materialer er ikke nøjagtigt lavet af noget specielt - almindelige partikler, protoner, neutroner og elektroner. Men de er mere end blot summen af deres dele. Disse materialer har en lang række interessante egenskaber og fænomener og førte nogle gange endda fysikere til nye stoftilstande - ud over faste, gasformige og flydende, som vi har kendt fra barndommen.
En type materiale, som fysikere er særligt bekymrede for, er den topologiske isolator - og mere bredt de topologiske faser, hvis teoretiske fundamenter førte deres opfindere til Nobelprisen i 2016. På overfladen af en topologisk isolator flyder elektroner jævnt, men indeni står de bevægelsesfri. Overfladen er som en metalleder, og indersiden er som en keramisk isolator. Topologiske isolatorer har tiltrukket sig opmærksomhed for deres ekstraordinære fysik såvel som for deres potentielle applikationer i kvantecomputere og såkaldte spintroniske enheder, der bruger drejning af elektroner og deres opladning.
Denne eksotiske opførsel er ikke altid indlysende.”Man kan ikke bare sige det, når man ser på et materiale i traditionel forstand, uanset om det har denne form for egenskaber eller ej,” siger Frank Wilczek, en fysiker ved Massachusetts Institute of Technology og en Nobelpristagent i 2004 i fysik.
Hvad ellers er en kvanteatmosfære?
Det viser sig, at mange tilsyneladende almindelige materialer kan indeholde skjulte, men usædvanlige og muligvis nyttige egenskaber. I et for nylig offentliggjort papir foreslog Wilchek og Kin-Dong Zhang, en fysiker ved Stockholms Universitet, en ny måde at udforske sådanne egenskaber: ved at studere den subtile aura, der omgiver materialet. De kaldte det kvanteatmosfæren.
Denne atmosfære kunne afsløre nogle af de grundlæggende kvanteegenskaber af det materiale, som fysikere derefter kunne måle. Hvis det bekræftes af eksperimenter, vil dette fænomen ikke kun være en af de få makroskopiske manifestationer af kvantemekanik, siger Wilchek, men det vil også blive et kraftfuldt værktøj til at undersøge nye materialer.
”Hvis du spurgte mig, om noget lignende kunne ske, ville jeg sige, at ideen giver mening,” siger Taylor Hughes, en teoretiker ved kondenseret sag ved University of Illinois i Urbana-Champaign. Og han tilføjer: "Jeg antager, at effekten vil være meget svag." I deres nye analyse beregnet Zhang og Vilchek imidlertid, at den kvante atmosfæriske virkning i princippet ville være inden for det detekterbare interval.
Salgsfremmende video:
Desuden bemærker Wilchek, at sådanne effekter kan opdages meget snart.
Indvirkning område
Kvanteatmosfæren, forklarer Wilczek, er en tynd indflydelseszone omkring et materiale. Det følger af kvantemekanikken, at vakuumet ikke er helt tomt; det er fyldt med kvanteudsving. Hvis du for eksempel tager to uladede plader og placerer dem side om side i et vakuum, er det kun kvantefluktuationer med bølgelængder, der er kortere end afstanden mellem pladerne, kan klemme imellem dem. Men udefra falder udsving i alle bølgelængder på pladerne. Energien på ydersiden vil være større end på indersiden, hvilket får den kombinerede kraft til at skubbe pladerne sammen. Dette er Casimir-effekten og ligner virkningen af kvanteatmosfæren, siger Wilczek.
Ligesom en plade fornemmer en stærkere kraft, når den nærmer sig en anden, vil en nålesonde føle virkningerne af kvanteatmosfæren, når den nærmer sig et materiale.”Det er som en normal atmosfære,” siger Wilchek. "Jo tættere du er på den, desto større er dens indflydelse." Og arten af denne påvirkning afhænger af kvanteegenskaberne for selve materialet.
Antimon kan fungere som en topologisk isolator - materiale, der fungerer som en isolator overalt undtagen overfladen.
Disse egenskaber kan være meget forskellige. Nogle materialer fungerer som separate universer med deres egne fysiske love, som om de er i materialernes mangfoldighed.”En meget vigtig idé inden for fysik i moderne kondenseret stof er, at vi har materialer til rådighed - f.eks. Topologiske isolatorer - inden for hvilke der er forskellige regelsæt,” siger Peter Armitage, fysik i kondenseret stof ved Johns Hopkins University.
Nogle materialer fungerer som magnetiske monopoler - punktmagneter med en nordpol, men ingen sydpol. Fysikere har også opdaget de såkaldte fraktionerede elektriske ladningskvasipartikler og kvasipartikler, der fungerer som deres eget antimateriale og kan udslette.
Hvis der eksisterede lignende eksotiske egenskaber i andre materialer, kunne de afsløre sig i kvanteatmosfærer. En hel række nye ejendomme kunne afdækkes ved blot at undersøge atmosfæren af materialer, siger Wilchek.
For at demonstrere deres idé fokuserede Zhang og Wilchek på et usædvanligt sæt regler - aksionelektrodynamik - der kan føre til unikke egenskaber. Wilchek kom med denne teori i 1987 for at demonstrere, hvordan en hypotetisk partikel kaldet en aksion kunne interagere med elektricitet og magnetisme. (Før dette fremlagde fysikere en aksion for at løse et af de største fysiske mysterier: hvorfor interaktioner, der involverer en stærk styrke, forbliver de samme, hvis partikler erstattes af antipartikler og reflekteres i et spejl, hvor man bevarer symmetrien for ladning og paritet (CP-symmetri). Indtil den dag var der ingen, der havde fundet nogen) bekræftelse af eksistensen af aksioner, skønt for ikke så længe siden har der været en øget interesse for dem som kandidater til mørk materie.
Selvom disse regler ikke vil fungere de fleste steder i universet, manifesterer de sig ret inden i et materiale - såsom en topologisk isolator.”Den måde, elektromagnetiske felter interagerer med i disse nye stoffer, topologiske isolatorer, er stort set den samme, som om de interagerer med en samling aksioner,” siger Wilczek.
Defekter i diamanter
Hvis et materiale som en topologisk isolator adlyder lovgivningen i aksional elektrodynamik, kan dens kvanteatmosfære reagere på alt, hvad der krydser det. Zhang og Vilchek beregnet, at en sådan effekt ville svare til manifestationen af et magnetfelt. Især fandt de, at hvis man lægger et bestemt system af atomer eller molekyler i atmosfæren, ændres deres kvanteenerginiveau. Forskere kan måle ændringen i disse niveauer ved hjælp af standardlaboratoriemetoder.”Det er en usædvanlig, men interessant idé,” siger Armitage.
Et af disse potentielle systemer er en diamantsonde med såkaldte nitrogen-substituerede ledige stillinger (NV-centre). Et NV-center er en slags defekt i krystalstrukturen af en diamant, når diamantens carbonatom erstattes af et nitrogenatom, og et sted tæt på nitrogen forbliver tomt. Kvantetilstanden for et sådant system er meget følsom, hvilket gør det muligt for NV-centre at mærke selv de svageste magnetfelter. Denne egenskab gør dem til magtfulde sensorer, der kan bruges til en lang række formål inden for geologi og biologi.
Papiret af Zhang og Vilchek, som de forelagde til Physical Review Letters, beskriver kun kvantet atmosfærisk indflydelse afledt af aksionisk elektrodynamik. For at bestemme, hvilke andre egenskaber der påvirker atmosfæren, siger Wilchek, er der behov for andre beregninger.
Breaking symmetry
I det væsentlige er de egenskaber, som kvanteatmosfærer afslører, repræsenteret ved symmetrier. De forskellige faser af et stof og egenskaberne der svarer til dem kan repræsenteres i form af symmetrier. I en fast krystal er for eksempel atomerne arrangeret i en symmetrisk gitter, der forskydes eller roterer for at danne identiske krystalmønstre. Når du opvarmer det, brydes bindingerne, gitterstrukturen kollapser, materialet mister sin symmetri og bliver flydende på en måde.
Materialer kan bryde andre grundlæggende symmetrier, såsom den gensidige tidssymmetri, som de fleste fysiske love overholder. Fænomenerne kan være forskellige, hvis du reflekterer dem i et spejl og bryder paritetssymmetrien.
Hvis disse symmetrier kan brydes i materialet, kunne vi observere tidligere ukendte faseovergange og potentielt eksotiske egenskaber. Materiale med bestemt symmetribrud vil forårsage den samme nedbrydning i en sonde, der passerer gennem kvanteatmosfæren, siger Wilczek. For eksempel i et stof, der følger aksionisk termodynamik, er symmetri af både tid og paritet brudt, men i kombination er de ikke det. Ved at berøre materialets atmosfære kan du finde ud af, om og i hvor høj grad det bryder symmetrien.
Wilchek siger, at han allerede har diskuteret ideen med eksperimenterne. Desuden er disse eksperimenter ret gennemførlige, selv ikke i år, men i uger og måneder.
Hvis alt fungerer, finder udtrykket "kvanteatmosfære" et permanent sted i fysikernes leksikon. Wilczek havde tidligere fundet udtryk såsom aksioner, anioner (kvasipartikler, der kan være nyttige til kvanteberegning) og tidskrystaller. Kvanteatmosfærer kan også blive hængende.
Ilya Khel
