Viimase paari aasta jooksul on mõned materjalid muutunud füüsikute jaoks tõestuseks. Need materjalid pole täpselt valmistatud millestki erilisest - tavalistest osakestest, prootonitest, neutronitest ja elektronidest. Kuid need on midagi enamat kui lihtsalt nende osade summa. Neil materjalidel on terve rida huvitavaid omadusi ja nähtusi ning nad viisid füüsikud mõnikord isegi uutesse olekutesse - lisaks tahkele, gaasilisele ja vedelale olemusele, mida oleme lapsepõlvest tundnud.
Üks materjalitüüp, mille pärast füüsikud eriti muretsevad, on topoloogiline isolaator - ja laiemalt topoloogilised faasid, mille teoreetilised alused viisid nende leiutajad 2016. aastal Nobeli preemiale. Topoloogilise isolaatori pinnal voolavad elektronid sujuvalt, kuid sees seisavad nad liikumatult. Pind on nagu metalljuht ja sisemus on nagu keraamiline isolaator. Topoloogilised isolaatorid on äratanud tähelepanu nii erakorralise füüsika kui ka potentsiaalsete rakenduste jaoks kvantarvutites ja niinimetatud spintroonilistes seadmetes, mis kasutavad elektronide spinni ja nende laengut.
See eksootiline käitumine pole alati ilmne. "Kui arvestada materjali traditsioonilises tähenduses, siis ei saa lihtsalt öelda, kas sellel on sellised omadused või mitte," ütleb Frank Wilczek, MITi füüsik ja 2004. aasta Nobeli füüsikapreemia laureaat.
Mis veel on kvant-atmosfäär?
Selgub, et paljud pealtnäha tavalised materjalid võivad sisaldada varjatud, kuid ebaharilikke ja võimalusel kasulikke omadusi. Hiljuti avaldatud artiklis pakkusid Stockholmi ülikooli füüsik Vilchek ja Kin-Dong Zhang välja uue viisi selliste omaduste uurimiseks: uurides materjali ümbritsevat peent aura. Nad nimetasid seda kvantõhkkonnaks.
See atmosfäär võib paljastada materjali mõned fundamentaalsed kvantomadused, mida füüsikud said seejärel mõõta. Kui see katsetega kinnitatakse, pole see nähtus mitte ainult üks väheseid kvantmehaanika makroskoopilisi ilminguid, ütleb Wilchek, vaid see saab ka võimsaks vahendiks uute materjalide uurimisel.
"Kui te küsiksite minult, kas midagi sellist võib juhtuda, siis ütleksin, et idee on mõttekas," ütleb Taylor Hughes, Urbano-Champaigni Illinoisi ülikooli lühendatud teema teoreetik. Ja ta lisab: "Ma arvan, et mõju on väga nõrk." Oma uues analüüsis arvutasid Zhang ja Vilchek aga, et põhimõtteliselt jääb kvant atmosfääri mõju tuvastatava vahemikku.
Reklaamvideo:
Lisaks märgib Wilchek, et sellised mõjud võivad ilmneda väga kiiresti.
Mõju piirkond
Wilczek selgitab, et kvantkeskkond on õhuke mõjutsoon materjali ümber. Kvantmehaanikast järeldub, et vaakum pole täielikult tühi; see on täidetud kvant kõikumistega. Näiteks kui võtate kaks laadimata plaati ja asetate need üksteise kõrvale vaakumisse, saavad nende vahel pigistada ainult kvantkõikumised, mille lainepikkus on lühem kui plaatide vaheline kaugus. Kuid väljastpoolt langevad plaatidele kõigi lainepikkuste kõikumised. Väljas on rohkem energiat kui sees, mis põhjustab ühendatud jõu plaatide pigistamist. See on Casimiri efekt ja sarnaneb kvant-atmosfääri mõjuga, väidab Wilczek.
Nii nagu plaat tajub teisele lähenedes tugevamat jõudu, tunneb nõelasond materjalile lähenedes kvant atmosfääri mõju. "See on nagu tavaline õhkkond," ütleb Wilchek. "Mida lähemal olete sellele, seda suurem on selle mõju." Ja selle mõju olemus sõltub materjali enda kvantomadustest.
Antimon võib toimida topoloogilise isolaatorina - materjal, mis toimib isolaatorina kõikjal peale pinna.
Need omadused võivad olla väga erinevad. Mõni materjal toimib eraldi universumina, millel on oma füüsilised seadused, justkui materjalide mitmekesises osas. „Kaasaegse kondenseerunud aine füüsika väga oluline idee on see, et meie käsutuses on materjalid - näiteks topoloogilised isolaatorid -, mille sees toimivad teistsugused reeglid,“ütleb Johns Hopkinsi ülikooli kondenseerunud aine füüsik Peter Armitage.
Mõned materjalid toimivad magnetiliste monopolidena - punktmagnetina, millel on põhjapoolus, kuid puudub lõunapoolus. Füüsikud on avastanud ka nn fraktsionaalsed elektrilaengu kvaasiosakesed ja kvaasiosakesed, mis toimivad nende enda antimaterjaliks ja võivad hävida.
Kui sarnased eksootilised omadused oleksid olemas ka teistes materjalides, võiksid nad end kvantkeskkonnas avaldada. Wilchek väidab, et terve hulga uusi omadusi saab avastada lihtsalt materjalide atmosfääri uurimisega.
Oma idee demonstreerimiseks keskendusid Zhang ja Wilchek ebatavalisele reeglistikule - teljeelektrodünaamikale -, mis võivad viia ainulaadsete omadusteni. Wilchek esitas selle teooria 1987. aastal, et näidata, kuidas hüpoteetiline osake, mida nimetatakse aksiooniks, võib mõjutada elektrit ja magnetismi. (Enne seda esitasid füüsikud telje füüsika ühe suurima mõistatuse lahendamiseks: miks tugeva jõuga seotud interaktsioonid jäävad samaks, kui osakesed asendatakse antiosakestega ja peegelduvad peegelpildis, säilitades laengu ja pariteedi sümmeetria (CP-sümmeetria). Kuni selle päevani polnud keegi leidnud ühtegi aksioonide olemasolu kinnitamine, kuigi mitte nii kaua aega tagasi on nende vastu tumeaine kandidaatide vastu suurenenud huvi.
Ehkki need reeglid enamikus maailma kohtades ei tööta, avalduvad need üsna materjali - näiteks topoloogilise isolaatori - sees. "See, kuidas elektromagnetilised väljad interakteeruvad nendes uutes ainetes, topoloogilistes isolaatorites, on põhimõtteliselt sama, nagu nad oleksid interaktsioonis teljekoguga," ütleb Wilczek.
Teemantide puudused
Kui selline materjal nagu topoloogiline isolaator järgib aksiaalse elektrodünaamika seadusi, võib selle kvantkeskkond reageerida kõigele, mis seda ületab. Zhang ja Vilchek arvutasid, et selline efekt sarnaneb magnetvälja avaldumisega. Eriti leidsid nad, et kui paned atmosfääri teatud aatomite või molekulide süsteemi, siis muutuvad nende kvantenergia tasemed. Teadlased saavad standardsete laboratoorsete meetodite abil mõõta nende tasemete muutust. "See on ebatavaline, kuid huvitav idee," ütleb Armitage.
Üks neist potentsiaalsetest süsteemidest on teemandisond niinimetatud lämmastikuasendatud vabade kohtadega (NV-keskused). NV-keskus on mingi romb teemandi kristallstruktuuris, kui teemandi süsinikuaatom asendatakse lämmastikuaatomiga ja lämmastiku lähedal asuv koht jääb tühjaks. Sellise süsteemi kvantseisund on väga tundlik, mis võimaldab NV-keskustel tajuda ka kõige nõrgemaid magnetvälju. See omadus muudab need võimsateks anduriteks, mida saab kasutada väga erinevatel eesmärkidel geoloogias ja bioloogias.
Zhangi ja Vilcheki kirjutises, mille nad edastasid Physical Review Lettersile, kirjeldatakse ainult aksionilisest elektrodünaamikast tuletatud atmosfääri kvantmõju. Wilcheki sõnul tuleb kindlaks teha, millised muud omadused atmosfääri mõjutavad.
Sümmeetria purunemine
Põhimõtteliselt on kvantkeskkondade poolt avaldatud omadused esindatud sümmeetriatega. Aine erinevaid faase ja neile vastavaid omadusi saab esitada sümmeetriate kujul. Näiteks tahke kristalli korral on aatomid paigutatud sümmeetrilisse võre, mis nihkub või pöörleb, moodustades identsed kristallimustrid. Selle kuumutamisel sidemed purunevad, võre struktuur variseb kokku, materjal kaotab sümmeetria ja muutub teatud mõttes vedelaks.
Materjalid võivad rikkuda muid põhisümmeetriaid, näiteks vastastikust ajasümmeetriat, mida enamus füüsikaseadusi järgib. Nähtused võivad olla erinevad, kui peegeldate neid peeglis ja purustate pariteedi sümmeetriat.
Kui need sümmeetriad võivad materjalis puruneda, siis võiksime jälgida varem tundmatuid faasisiireid ja potentsiaalselt eksootilisi omadusi. Teatud sümmeetrilise purunemisega materjal põhjustab sama jaotuse sondi, mis läbib kvantkeskkonda, väidab Wilczek. Näiteks aksioonset termodünaamikat järgivas aines purunevad nii aja kui ka paarsuse sümmeetriad, kuid kombinatsioonis need pole. Materjali atmosfääri puudutades saate teada, kas ja mil määral see rikub sümmeetriat.
Wilchek ütleb, et on ideed katsetajatega juba arutanud. Pealegi on need katsed üsna teostatavad isegi mitte aastate, vaid nädalate ja kuude jooksul.
Kui kõik õnnestub, leiab termin "kvantkeskkond" füüsikute leksikonis alalise koha. Wilczek oli varem loonud selliseid termineid nagu aksioonid, anioonid (kvaasiosad, mis võivad olla kvantarvutuseks kasulikud) ja ajakristallid. Samuti võivad jõuda kvantkeskkonnad.
Ilja Khel
