W ciągu ostatnich kilku lat niektóre materiały stały się poligonem doświadczalnym dla fizyków. Te materiały nie są dokładnie wykonane z niczego specjalnego - zwykłych cząstek, protonów, neutronów i elektronów. Ale są czymś więcej niż tylko sumą ich części. Materiały te mają całą gamę ciekawych właściwości i zjawisk, a niekiedy nawet wprowadzały fizyków w nowe stany skupienia - poza ciałem stałym, gazem i cieczą, które znamy od dzieciństwa.
Jednym z rodzajów materiału, którym fizycy są szczególnie zaniepokojeni, jest izolator topologiczny - a szerzej fazy topologiczne, których teoretyczne podstawy doprowadziły ich wynalazców do Nagrody Nobla w 2016 roku. Na powierzchni izolatora topologicznego elektrony płyną płynnie, ale wewnątrz stoją nieruchomo. Powierzchnia jest jak metalowy przewodnik, a wnętrze jak ceramiczny izolator. Izolatory topologiczne przyciągają uwagę swoją niezwykłą fizyką, a także potencjalnymi zastosowaniami w komputerach kwantowych i tak zwanych urządzeniach spintronicznych wykorzystujących spin elektronów i ich ładunek.
To egzotyczne zachowanie nie zawsze jest oczywiste. „Nie można tak po prostu powiedzieć, biorąc pod uwagę materiał w tradycyjnym sensie, niezależnie od tego, czy ma tego rodzaju właściwości, czy nie” - mówi Frank Wilczek, fizyk z Massachusetts Institute of Technology i laureat Nagrody Nobla z fizyki w 2004 roku.
Czym jeszcze jest atmosfera kwantowa?
Okazuje się, że wiele pozornie zwyczajnych materiałów może mieć ukryte, ale niezwykłe i być może użyteczne właściwości. W niedawno opublikowanym artykule Wilchek i Kin-Dong Zhang, fizyk z Uniwersytetu Sztokholmskiego, zaproponowali nowy sposób badania takich właściwości: badanie subtelnej aury otaczającej materiał. Nazwali to atmosferą kwantową.
Atmosfera ta mogłaby ujawnić niektóre z fundamentalnych właściwości kwantowych materiału, które fizycy mogliby następnie zmierzyć. Potwierdzone eksperymentami zjawisko to będzie nie tylko jednym z nielicznych makroskopowych przejawów mechaniki kwantowej - mówi Wilczek, ale stanie się także potężnym narzędziem do badań nowych materiałów.
„Gdybyś zapytał mnie, czy coś takiego może się wydarzyć, powiedziałbym, że pomysł ma sens” - mówi Taylor Hughes, teoretyk materii skondensowanej z University of Illinois w Urbana-Champaign. I dodaje: „Myślę, że efekt będzie bardzo słaby”. Jednak w swojej nowej analizie Zhang i Vilchek obliczyli, że w zasadzie kwantowy efekt atmosferyczny mieści się w wykrywalnym zakresie.
Film promocyjny:
Ponadto, zauważa Wilchek, takie efekty mogą zostać wykryte bardzo szybko.
Obszar uderzenia
Atmosfera kwantowa, wyjaśnia Wilczek, to cienka strefa wpływów wokół materiału. Z mechaniki kwantowej wynika, że próżnia nie jest całkowicie pusta; jest wypełniony fluktuacjami kwantowymi. Na przykład, jeśli weźmiesz dwie nienaładowane płytki i umieścisz je obok siebie w próżni, tylko fluktuacje kwantowe o długościach fal krótszych niż odległość między płytami mogą przecisnąć się między nimi. Ale z zewnątrz fluktuacje wszystkich długości fal będą spadać na płyty. Na zewnątrz będzie więcej energii niż wewnątrz, co spowoduje, że połączona siła ścisnie płyty razem. To efekt Casimira, podobny do efektu atmosfery kwantowej - mówi Wilczek.
Tak jak płyta wyczuwa silniejszą siłę, gdy zbliża się do drugiej, sonda igłowa poczuje efekt atmosfery kwantowej, gdy zbliża się do materiału. „To jak normalna atmosfera” - mówi Wilchek. „Im jesteś bliżej tego, tym większy jest jego wpływ”. Charakter tego wpływu zależy od właściwości kwantowych samego materiału.
Antymon może działać jako izolator topologiczny - materiał, który działa jako izolator wszędzie oprócz powierzchni.
Te właściwości mogą być bardzo różne. Niektóre materiały działają jak oddzielne wszechświaty z własnymi prawami fizycznymi, tak jakby znajdowały się w multiwersie materiałów. „Bardzo ważną ideą współczesnej fizyki materii skondensowanej jest to, że dysponujemy materiałami - powiedzmy izolatorami topologicznymi - w ramach których działają inne zestawy reguł” - mówi Peter Armitage, fizyk materii skondensowanej z Johns Hopkins University.
Niektóre materiały działają jak magnetyczne monopole - magnesy punktowe z biegunem północnym, ale bez bieguna południowego. Fizycy odkryli również tak zwane kwazicząstki i kwazicząstki z ładunkiem cząstkowym, które działają jak własna antymateria i mogą anihilować.
Gdyby podobne egzotyczne właściwości istniały w innych materiałach, mogłyby ujawnić się w atmosferach kwantowych. Jak mówi Wilchek, można odkryć cały szereg nowych właściwości, po prostu sondując atmosferę materiałów.
Aby zademonstrować swój pomysł, Zhang i Wilchek skupili się na niezwykłym zestawie reguł - elektrodynamice aksionów - które mogą prowadzić do wyjątkowych właściwości. Wilchek wymyślił tę teorię w 1987 roku, aby zademonstrować, jak hipotetyczna cząstka zwana aksjonem może oddziaływać z elektrycznością i magnetyzmem. (Wcześniej fizycy wysunęli aksjon, aby rozwiązać jedną z największych tajemnic fizyki: dlaczego interakcje z silną siłą pozostają takie same, jeśli cząstki zostaną zastąpione antycząstkami i odbite w lustrze, zachowując symetrię ładunku i parzystości (symetria CP). Do tego dnia nikt nie znalazł żadnego potwierdzenie istnienia aksionów, choć nie tak dawno temu wzrosło zainteresowanie nimi jako kandydatami na ciemną materię.
Chociaż te reguły nie będą działać w większości miejsc we wszechświecie, przejawiają się one w materiale - takim jak izolator topologiczny. „Sposób, w jaki pola elektromagnetyczne oddziałują w tych nowych substancjach, izolatorach topologicznych, jest zasadniczo taki sam, jak w przypadku interakcji z zbiorem aksionów” - mówi Wilczek.
Wady diamentów
Jeśli materiał, taki jak izolator topologiczny, jest zgodny z prawami elektrodynamiki aksjonalnej, jego atmosfera kwantowa może reagować na wszystko, co go przecina. Zhang i Vilchek obliczyli, że taki efekt byłby podobny do pojawienia się pola magnetycznego. W szczególności odkryli, że jeśli umieścisz określony układ atomów lub cząsteczek w atmosferze, ich poziomy energii kwantowej ulegną zmianie. Naukowcy mogą zmierzyć zmianę tych poziomów za pomocą standardowych metod laboratoryjnych. „To niezwykły, ale interesujący pomysł” - mówi Armitage.
Jednym z takich potencjalnych systemów jest sonda diamentowa z tak zwanymi wakatami podstawionymi azotem (centra NV). Centrum NV to rodzaj defektu w strukturze krystalicznej diamentu, kiedy atom węgla w diamentie zostaje zastąpiony atomem azotu, a miejsce w pobliżu azotu pozostaje puste. Stan kwantowy takiego układu jest bardzo czuły, co pozwala ośrodkom NV na wykrywanie nawet najsłabszych pól magnetycznych. Ta właściwość sprawia, że są one potężnymi czujnikami, które mogą być wykorzystywane do wielu różnych celów w geologii i biologii.
Artykuł Zhanga i Vilcheka, który przesłali do Physical Review Letters, opisuje jedynie kwantowy wpływ atmosfery pochodzący z elektrodynamiki aksjonowej. Aby określić, jakie inne właściwości wpływają na atmosferę, mówi Wilchek, należy wykonać inne obliczenia.
Łamanie symetrii
Zasadniczo właściwości, które ujawniają atmosfery kwantowe, są reprezentowane przez symetrie. Różne fazy substancji i odpowiadające im właściwości można przedstawić w postaci symetrii. Na przykład w stałym krysztale atomy są ułożone w symetrycznej sieci, która przesuwa się lub obraca, tworząc identyczne wzory kryształów. Kiedy go podgrzejesz, wiązania pękają, struktura sieciowa zapada się, materiał traci symetrię i staje się w pewnym sensie płynny.
Materiały mogą łamać inne podstawowe symetrie, takie jak odwrotna symetria czasowa, której przestrzega większość praw fizyki. Zjawiska mogą być inne, jeśli odbijesz je w lustrze i złamiesz symetrię parzystości.
Gdyby te symetrie mogły zostać złamane w materiale, moglibyśmy zaobserwować nieznane wcześniej przejścia fazowe i potencjalnie egzotyczne właściwości. Jak mówi Wilczek, materiał z pewnym złamaniem symetrii spowoduje taki sam rozkład w sondzie, która przechodzi przez atmosferę kwantową. Na przykład w substancji, która podlega termodynamice aksjonowej, symetrie czasu i parzystości są złamane, ale w połączeniu tak nie jest. Dotykając atmosfery materiału można dowiedzieć się, czy i na ile łamie on symetrię.
Wilchek mówi, że omówił już ten pomysł z eksperymentatorami. Co więcej, te eksperymenty są całkiem wykonalne, nawet nie w latach, ale w tygodniach i miesiącach.
Jeśli wszystko się uda, termin „atmosfera kwantowa” znajdzie się na stałe w leksykonie fizyków. Wilczek wcześniej ukuł takie terminy, jak aksiony, aniony (kwazicząstki, które mogą być przydatne w obliczeniach kwantowych) i kryształy czasu. Atmosfery kwantowe również mogą się utrzymywać.
Ilya Khel