Muutaman viime vuoden aikana joistakin materiaaleista on tullut todisteita fyysikoille. Nämä materiaalit eivät ole tarkalleen valmistettu mistään erityisestä - tavallisista hiukkasista, protoneista, neutroneista ja elektronista. Mutta ne ovat enemmän kuin vain osiensa summa. Näillä materiaaleilla on koko joukko mielenkiintoisia ominaisuuksia ja ilmiöitä, ja joskus jopa fyysikot johtivat uusiin aineen tiloihin - kiinteiden, kaasumaisten ja nestemäisten lisäksi, jotka olemme tunteneet lapsuudesta lähtien.
Yksi materiaalityypeistä, joista fyysikot ovat erityisen huolissaan, on topologinen eriste - ja laajemmin topologiset vaiheet, joiden teoreettiset perusteet johdettivat keksijöitään Nobel-palkinnolle vuonna 2016. Topologisen eristimen pinnalla elektronit virtaavat tasaisesti, mutta sisällä ne seisovat liikkumattomina. Pinta on kuin metallijohdin ja sisäosa on kuin keraaminen eriste. Topologiset eristimet ovat herättäneet huomiota epätavallisesta fysiikastaan, samoin kuin potentiaalisista sovelluksistaan kvanttitietokoneisiin ja ns. Spintronisiin laitteisiin, jotka käyttävät elektronien pyöriä ja niiden varausta.
Tämä eksoottinen käyttäytyminen ei ole aina ilmeistä. "Et voi vain sanoa, että kun tarkastellaan materiaalia perinteisessä mielessä, onko sillä tällaisia ominaisuuksia vai ei", sanoo MIT: n fyysikko ja vuoden 2004 Nobelin fysiikan laureaatti Frank Wilczek.
Mikä muu on kvantti-ilmapiiri?
Osoittautuu, että monet näennäisesti tavalliset materiaalit voivat sisältää piilotettuja, mutta epätavallisia ja mahdollisesti hyödyllisiä ominaisuuksia. Äskettäin julkaistussa lehdessä Vilchek ja Tukholman yliopiston fyysikko Kin-Dong Zhang ehdottivat uutta tapaa tutkia tällaisia ominaisuuksia: tutkimalla materiaalia ympäröivää hienovaraista auraa. He kutsuivat sitä kvantti-ilmakehään.
Tämä ilmapiiri saattoi paljastaa joitain materiaalin perustavanlaatuisista kvanttiominaisuuksista, joita fyysikot voisivat sitten mitata. Wilczekin mukaan tämä ilmiö ei ole vain yksi harvoista kvanttimekaniikan makroskooppisista ilmenemismuodoista, jos se vahvistetaan kokeilla, mutta siitä tulee myös tehokas työkalu uusien materiaalien tutkimiseen.
"Jos kysyisit, voisiko jotakin tällaista tapahtua, sanoisin, että idea on järkevä", sanoo Taylor Hughes, tiivistetty aiheteoreetikko Illinoisin yliopistossa Urbana-Champaignissa. Ja hän lisää: "Luulen, että vaikutus on hyvin heikko." Uudessa analyysissään Zhang ja Vilchek kuitenkin laskivat, että periaatteessa ilmakehän kvanttivaikutus olisi havaittavissa olevalla alueella.
Mainosvideo:
Lisäksi Wilchek toteaa, että tällaiset vaikutukset voidaan havaita pian.
Vaikutusalue
Kvanttiympäristö, Wilczek selittää, on ohut vaikutusalue materiaalin ympärillä. Kvanttimekaniikasta seuraa, että tyhjiö ei ole täysin tyhjä; se on täynnä kvanttivaihteluita. Esimerkiksi, jos otat kaksi lataamatonta levyä ja asetat ne vierekkäin tyhjiössä, vain kvanttivaihtelut, joiden aallonpituudet ovat lyhyempiä kuin levyjen välinen etäisyys, voivat puristua niiden välillä. Mutta ulkopuolelta kaikkien aallonpituuksien vaihtelut putoavat levyille. Ulkopuolella on enemmän energiaa kuin sisällä, mikä aiheuttaa yhdistetyn voiman puristamaan levyjä yhdessä. Tämä on Casimir-ilmiö ja samanlainen kuin kvantti-ilmakehän vaikutus, Wilczek sanoo.
Aivan kuin levy tunnistaa vahvemman voiman lähestyessäsi toista, neula-anturi tuntee kvantti-ilmakehän vaikutuksen lähestyessäsi materiaalia. "Se on kuin normaali ilmapiiri", Wilchek sanoo. "Mitä lähempänä olet sitä, sitä suurempi sen vaikutus on." Ja tämän vaikutuksen luonne riippuu itse materiaalin kvanttiominaisuuksista.
Antimoni voi toimia topologisena eristeenä - materiaali, joka toimii eristeenä kaikkialla paitsi pinta.
Nämä ominaisuudet voivat olla hyvin erilaisia. Jotkut materiaalit toimivat erillisinä maailmankaikkeuksina omien fyysisten lakiensa kanssa, ikään kuin ne olisivat monien materiaalien joukossa. "Erittäin tärkeä ajatus modernissa tiivisteainefysiikassa on, että meillä on käytettävissään materiaaleja - esimerkiksi topologisia eristeitä - joiden sisällä erilaiset säännöt toimivat", sanoo Peter Armitage, tiivistettyjen aineiden fyysikko Johns Hopkinsin yliopistosta.
Jotkut materiaalit toimivat magneettisina monopoleina - pistemagneeteina, joilla on pohjoisnapa, mutta ei etelänapaa. Fyysikot ovat myös löytäneet ns. Fraktioidut sähkövarauksen kvasipartikkelit ja kvasipartikkelit, jotka toimivat omana antimateriaalinaan ja voivat tuhota.
Jos muilla materiaaleilla olisi samanlaisia eksoottisia ominaisuuksia, ne voisivat paljastua kvanttiatmosfäärissä. Koko joukko uusia ominaisuuksia voitaisiin paljastaa yksinkertaisesti tutkimalla materiaalien ilmapiiriä, Wilchek sanoo.
Osoittaakseen ideansa Zhang ja Wilchek keskittyivät epätavallisiin sääntöihin - aksionielektrodynamiikkaan -, jotka voivat johtaa ainutlaatuisiin ominaisuuksiin. Wilchek keksi tämän teorian vuonna 1987 osoittaakseen, kuinka hypoteettinen hiukkas, jota kutsutaan aksioniksi, voisi olla vuorovaikutuksessa sähkön ja magneettisuuden kanssa. (Ennen tätä fyysikot esittivät akselin ratkaistakseen yhden fysiikan suurimmista mysteereistä: miksi vahvan voiman aiheuttavat vuorovaikutukset pysyvät samana, jos hiukkaset korvataan hiukkasilla ja heijastuvat peiliin, säilyttäen varauksen ja pariteetin (CP-symmetria) symmetria. Tähän päivään asti kukaan ei ollut löytänyt mitään Vahvistus aksioiden olemassaolosta, vaikka viime aikoina on kiinnostunut heitä tumman aineen ehdokkaista.
Vaikka nämä säännöt eivät toimi useimmissa maailmankaikkeuden paikoissa, ne ilmenevät melko materiaalissa - kuten topologisessa eristeessä. "Tapa, jolla sähkömagneettiset kentät ovat vuorovaikutuksessa näissä uusissa aineissa, topologisissa eristeissä, on olennaisesti sama kuin jos ne toimisivat yhdessä aksioiden kokoelman kanssa", Wilczek sanoo.
Timanttien viat
Jos materiaali, kuten topologinen eriste, noudattaa aksiaalisen sähköodynamiikan lakeja, sen kvantti-ilmakehä voi reagoida mihin tahansa, joka sen ylittää. Zhang ja Vilchek laskivat, että tällainen vaikutus olisi samanlainen kuin magneettikentän ilmeneminen. Erityisesti he havaitsivat, että jos laitat tietyn atomien tai molekyylien järjestelmän ilmakehään, niiden kvantienergiatasot muuttuvat. Tutkijat voivat mitata näiden tasojen muutosta tavanomaisilla laboratoriomenetelmillä. "Se on epätavallinen, mutta mielenkiintoinen idea", sanoo Armitage.
Yksi näistä potentiaalisista järjestelmistä on timanttikoetin, jolla on ns. Typpisubstituoidut avoimet työpaikat (NV-keskukset). NV-keskus on eräänlainen vika timantin kiderakenteessa, kun timantin hiiliatomi korvataan typpiatomilla ja typen lähellä oleva paikka pysyy tyhjänä. Tällaisen järjestelmän kvanttitila on erittäin herkkä, mikä antaa NV-keskuksille mahdollisuuden havaita heikoimmatkin magneettikentät. Tämä ominaisuus tekee niistä tehokkaita antureita, joita voidaan käyttää monenlaisiin tarkoituksiin geologiassa ja biologiassa.
Zhangin ja Vilchekin paperissa, jonka he lähettivät Physical Review Letters -lehteen, kuvataan vain aksiaalisesta sähköodynamiikasta johdettua ilmakehän kvantitatiivista vaikutusta. Wilchekin mukaan muut laskelmat on tehtävä sen määrittämiseksi, mitkä muut ominaisuudet vaikuttavat ilmakehään.
Hajottava symmetria
Pohjimmiltaan ominaisuudet, jotka kvanttiatmosfäärit paljastavat, ovat symmetrioita. Aineen eri vaiheet ja niitä vastaavat ominaisuudet voidaan esittää symmetrioiden muodossa. Esimerkiksi kiinteässä kidessä atomit on järjestetty symmetriseen hilaan, joka siirtyy tai pyörii muodostaen samanlaisia kidekuvioita. Kuumennettaessa sitä sidokset rikkoutuvat, hilarakenne romahtaa, materiaali menettää symmetriansa ja muuttuu tietyssä mielessä nestemäiseksi.
Materiaalit voivat rikkoa muita perustavanlaatuisia symmetrioita, kuten vastavuoroista ajan symmetriaa, jota useimmat fysiikan lait noudattavat. Ilmiöt voivat olla erilaisia, jos heijastat niitä peilissä ja rikkovat pariteettisymmetrian.
Jos nämä symmetriat voidaan rikkoa materiaalissa, voimme havaita aikaisemmin tuntemattomia vaihesiirtymiä ja mahdollisesti eksoottisia ominaisuuksia. Materiaali, jolla on tietty symmetrinen katkeaminen, aiheuttaa saman rikkoutumisen anturissa, joka kulkee kvantti-ilmakehän läpi, Wilczek sanoo. Esimerkiksi aksionista termodynamiikkaa seuraavassa aineessa sekä ajan että pariteetin symmetriat ovat murtuneet, mutta yhdessä ne eivät ole. Koskettamalla materiaalin ilmapiiriä saat selville, rikkooko se ja missä määrin symmetriaa.
Wilchek kertoo, että hän on jo keskustellut ideasta kokeilijoiden kanssa. Lisäksi nämä kokeet ovat melko toteutettavissa, edes vuosien, mutta viikkojen ja kuukausien aikana.
Jos kaikki onnistuu, termi "kvantti-ilmapiiri" löytää pysyvän paikan fyysikkojen sanakirjassa. Wilczek oli aikaisemmin rakentanut termejä, kuten aksioita, anioneja (kvasipartikkeleita, jotka voivat olla käyttökelpoisia kvanttilaskennassa) ja aikakiteitä. Kvanttiatmosfäärit voivat myös viipyä.
Ilja Khel
