I løbet af de seneste par år har nogle materialer, der var grundlag for fysikere. Disse materialer er ikke at være lavet af noget særligt — den almindelige partikler, protoner, neutroner og elektroner. Men de er mere end blot summen af deres dele. Disse materialer har en række interessante egenskaber og fænomener, og nogle gange endda ført fysikere, at de nye Stater i sagen — efter faste stoffer, gasser og væske, som vi kender fra barndommen.
En af de typer af materiale, der især begejstrer fysikere, er en topologisk isolator — og, mere generelt, af den topologiske fase, det teoretiske grundlag, der har ført deres opfindere til Nobelprisen i 2016. På overfladen af en topologisk isolator elektroner flyder jævnt, men indeni er der stadig. Overfladen af metal dirigent, og inde — som en keramisk isolator. Topologiske isolatorer har tiltrukket sig opmærksomhed for deres usædvanlige fysik og potentielle anvendelse i kvante computere og såkaldte spintronic-enheder, der bruger spin af elektroner og deres ladning.
Så eksotiske adfærd er ikke altid indlysende. “Du kan ikke bare sige, at i betragtning af det materiale, der i traditionel forstand, at han har en sådan form for egenskaber eller ikke er,” siger Frank Wilczek, en fysiker ved Massachusetts Institute of technology, modtageren af Nobels fredspris 2004 i fysik.
Hvad er quantum atmosfære?
Det viser sig, at mange tilsyneladende almindelige materialer kan indeholde skjulte, men usædvanligt-og muligvis nyttige egenskaber. I en nylig offentliggjort arbejde, Wilczek og pårørende-Dong Zhang, en fysiker fra Stockholm University, har foreslået en ny metode til at undersøge sådanne egenskaber ved at studere de subtile aura, der omgiver materiale. De kaldte det quantum atmosfære.
I denne atmosfære kan udstille nogle fundamentale kvantemekaniske egenskaber af det materiale, som fysik kunne måles derefter. Hvis det er bekræftet ved eksperimenter, dette fænomen vil ikke kun være en af de få makroskopiske manifestationer af kvantemekanik, siger Wilczek, men vil blive et stærkt redskab til undersøgelse af nye materialer.
“Hvis du spurgte mig om noget som dette til at ske, ville jeg sige, at denne idé giver mening,” sagde Taylor Hughes, en smal sag teoretiker fra University of Illinois i Urbana-Champaign. Og han tilføjer: “Antager, at effekten vil være meget svag.” I sin nye analyse, men Zhang og Wilczek beregnet, at der i princippet, quantum atmosfæriske effekt vil kunne påvises.
Desuden, sagde Wilczek, at registrere sådanne virkninger, at det kan blive muligt meget snart.
Virkningen zone
Quantum atmosfære, forklarer Wilczek, er en tynd zone indflydelse omkring materiale. Kvantemekanikken indebærer, at vakuum ikke er helt tom; det er fyldt med quantum udsving. For eksempel, hvis du tager to ladede plader og anbring dem side om side i et vakuum, kun quantum udsving med bølgelængder kortere end afstanden mellem pladerne, vil være i stand til at klemme sig ind mellem dem. Men udenfor pladerne blive udsat for udsving af alle bølgelængder. Den energi, udenfor er mere end inde, hvilket vil medføre, at den samlede kraft til at presse pladerne sammen. Dette er Casimir-effekten, og det er ligner den kvantemekaniske effekter af atmosfæren, siger Wilczek.
Lige som albummet føles som en stærkere kraft, som nærmer sig den anden, nålen sonden vil føle konsekvenserne af quantum af den atmosfære, der nærmer sig det materiale. “Det er ligesom den sædvanlige stemning”, siger Wilczek. “Jo tættere du er på den, jo større effekt.” Karakteren af denne påvirkning afhænger af de kvantemekaniske egenskaber af materialet selv.
Antimon kan fungere som en topologisk isolator — et materiale, der fungerer som en isolator, hvor som helst, bortset fra overfladen.
Disse egenskaber kan være meget forskellige. Nogle materialer fungere som separate universer med deres egne fysiske love, som der er i multiverset materialer. “En meget vigtig idé i moderne condensed matter physics er sådan, at vi har materialer — for eksempel, topologiske isolatorer, inderside, som opererer med et andet sæt regler,” sagde Peter Armitage, condensed matter fysiker fra Johns Hopkins University.
Nogle materialer fungere som interesseret? — magneter punkt til nordpolen, men ikke Syd. Fysikere har også opdaget de såkaldte kvasi-partikler med fraktioneret elektrisk ladning og kvasi-partikler, der fungerer som deres egne antistof og er i stand til at tilintetgøre.
Hvis sådanne eksotiske egenskaber findes i andre materialer, de kunne afsløre sig selv i quantum atmosfære. Det ville være muligt at afsløre et helt nyt sæt af egenskaber enkelt sondering af atmosfæren materiale, sagde Wilczek.
For at demonstrere sin idé, Zhang og Wilczek fokuseret på et usædvanligt sæt af regler — axion elektrodynamik, som kan føre til fremkomsten af unikke egenskaber. Vilcek kom til denne teori i 1987 for at vise, hvordan en hypotetisk partikel kaldet axion ville interagere med elektricitet og magnetisme. (Forud for dette, fysikere har foreslået, at axion til at løse et af de største mysterier i fysik: hvorfor er samspillet med den stærke kraft er den samme, hvis partiklerne er erstattet af antipartikler, og afspejler i spejlet, for at holde den symmetri af afgift og paritet (CP-symmetri). Til denne dag ingen har fundet nogen beviser for eksistensen af axions, selvom det ikke er så længe siden, at dem, syntes en øget interesse som kandidater til mørkt stof.
Selv om disse regler, vil ikke arbejde i de fleste steder i Universet, de er ganske åbenbart inde i materialet, som en topologisk isolator. “Hvordan elektromagnetiske felter interagerer i disse nye materialer, topologiske isolatorer, det er stort set de samme, som hvis de var interagere med en samling af axions,” siger Wilczek.
Fejl i diamanter
Hvis sådant materiale, som topologiske isolator adlyde lovene af axion elektrodynamik, quantum atmosfæren kan reagere på noget, som krydser den. Zhang og Wilczek beregnet, at denne effekt vil være magen til den manifestation af det magnetiske felt. Især fandt de, at hvis du placerer en visse system af atomer eller molekyler i atmosfæren, deres quantum energy niveauer ændres. Forskerne kan måle forandringer på disse niveauer ved hjælp af standard laboratorie-metoder. “Det er en usædvanlig, men interessant idé,” siger Armitage.
Et sådant potentiale system — diamond probe med den såkaldte nitrogen-erstattes af ledige stillinger (NV-centre). NV-center er en form for defekt i krystal struktur diamant, når det carbon-atom i diamond er erstattet af et nitrogen atom, og stedet er tæt på kvælstof, er stadig tom. Den kvantemekaniske tilstand af et sådant system er meget følsomme, så NV-centre til at føle sig selv svage magnetiske felt. Denne egenskab gør dem stærke sensorer, der kan bruges til mange forskellige formål i Geologi og biologi.
“Dette er et godt bevis for, at princippet,” siger Hughes. En ansøgning kan være kortlægge egenskaberne af materialet. Før fingeren til NV-center gennem det materiale, som en topologisk isolator, ville det være muligt at afgøre, hvordan at ændre dets egenskaber over hele overfladen.
Arbejdet med Zhang og Wilczek, at de har indsendt til Physical Review Letters, beskrives kun den quantum of atmospheric indflydelse stammer fra axion elektrodynamik. Til at bestemme, hvad andre egenskaber påvirker atmosfæren, siger Wilczek, du har brug for at gøre andre beregninger.
At bryde symmetrien
I virkeligheden, de ejendomme, der afslører omfanget af den atmosfære, der er repræsenteret af symmetrier. De forskellige faser af sagen, og egenskaber, der svarer til dem, kan blive repræsenteret i form af symmetrier. I en fast krystal, fx, atomer arrangeret i en symmetrisk gitter, der skifter eller roterer med dannelsen af identiske krystallinsk ordninger. Når den er opvarmet, når opløst, gitter-strukturen kollapser, materiale mister sin balance og bliver flydende i en vis forstand.
Materiale kan være i strid med andre fundamentale symmetrier, som den symmetri af inverse gang, som bemærker, at de fleste af fysikkens love. Andre fænomener, der kan, hvis afspejles i spejlet og bryde symmetrien af paritet.
Hvis disse symmetrier kan blive brudt i det materiale, vi kunne observere en hidtil ukendt fase-overgange og potentielt eksotiske egenskaber. Materiale med visse overtrædelser af symmetrier vil forårsage de samme krænkelser i sonden, der passerer gennem quantum atmosfære, siger Wilczek. For eksempel, i de spørgsmål, som bør axion termodynamik brudt symmetri og tid, og paritet, men en kombination af dem. Rørende fornemmelsen af, at det materiale, du kan finde ud af, om det er i strid symmetri, og i hvilket omfang.
“Nogle af de materialer, der er hemmeligheden til at bryde den symmetri, som vi endnu ikke kender, og som ikke forventer at se,” siger han. “De vil synes uskyldige, men skjule deres hemmeligheder.”
Vilcek, sagde, at han havde drøftet ideen med eksperimentatorer. Desuden, disse eksperimenter ganske muligt, og selv ikke i år, men uger og måneder.
Hvis du lykkes, udtrykket “quantum vibe” vil finde en permanent plads i leksikon af fysikere. Tidligere, Wilczek har opfundet begreber som axions, anyons (quasiparticles, som kan være nyttige for quantum computing) og krystaller af tid. Quantum af atmosfæren, og kan blive forsinket.
Hvad synes du? Fortæl os i vores chat i Telegrammet.
“Quantum vibe” kan afsløre hemmelighederne af sagen
Ilya Hel