През последните няколко години някои материали се превърнаха в доказателство за физиците. Тези материали не са направени точно от нещо специално - обикновени частици, протони, неутрони и електрони. Но те са повече от сумата на техните части. Тези материали имат цяла гама от интересни свойства и явления и понякога дори доведоха физиците до нови състояния на материята - в допълнение към твърди, газообразни и течни, които познаваме от детството.
Един вид материал, от който физиците особено се притесняват, е топологичният изолатор - и в по-общ план - топологичните фази, теоретичните основи на които доведоха своите изобретатели до Нобеловата награда през 2016 г. На повърхността на топологичен изолатор електроните протичат плавно, но вътре стоят неподвижни. Повърхността е като метален проводник, а вътрешната - като керамичен изолатор. Топологичните изолатори привличат вниманието с изключителната си физика, както и с потенциалните им приложения в квантовите компютри и така наречените спинтронни устройства, които използват спина на електроните и своя заряд.
Това екзотично поведение не винаги е очевидно. „Не можете просто да го кажете, гледайки на материал в традиционния смисъл, независимо дали той притежава този вид свойства или не“, казва Франк Уилчек, физик от Масачузетския технологичен институт и нобелов лауреат по физика от 2004 г.
Какво друго е квантова атмосфера?
Оказва се, че много на пръв поглед обикновени материали могат да съдържат скрити, но необичайни и по възможност полезни свойства. В наскоро публикувана книга Вилчек и Кин-Донг Джанг, физик от Стокхолмския университет, предложиха нов начин за изследване на такива свойства: чрез изучаване на фината аура, която заобикаля материала. Наричаха го квантовата атмосфера.
Тази атмосфера може да разкрие някои от основните квантови свойства на материала, които физиците биха могли да измерят. Ако бъде потвърдено от експерименти, това явление не само ще бъде едно от малкото макроскопични прояви на квантовата механика, казва Улчек, но и ще се превърне в мощен инструмент за изследване на нови материали.
"Ако ме попитахте ли може да се случи нещо подобно, бих казал, че идеята има смисъл", казва Тейлър Хюз, теоретик на кондензираната материя в Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн. И добавя: "Предполагам, че ефектът ще бъде много слаб." В новия си анализ обаче Джан и Вилчек изчислиха, че по принцип квантовият атмосферен ефект ще бъде в рамките на откриваемите граници.
Промоционално видео:
Освен това, отбелязва Вилчек, подобни ефекти могат да бъдат открити много скоро.
Ударна зона
Квантовата атмосфера, обяснява Вилчек, е тънка зона на влияние около материал. От квантовата механика следва, че вакуумът не е напълно празен; тя е изпълнена с квантови колебания. Например, ако вземете две незаредени плочи и ги поставите една до друга във вакуум, само квантови колебания с дължини на вълната, по-къси от разстоянието между плочите, могат да се стиснат между тях. Но отвън колебанията на всички дължини на вълната ще паднат върху плочите. Ще има повече енергия отвън, отколкото отвътре, което ще накара комбинираната сила да стисне плочите заедно. Това е ефектът на Казимир и е подобен на ефекта на квантовата атмосфера, казва Вилчек.
Точно когато плочата усеща по-силна сила, когато се приближава до друга, иглата сонда ще усети ефекта на квантовата атмосфера, когато се приближи до материал. „Това е като нормална атмосфера“, казва Вилчек. "Колкото по-близо сте до него, толкова по-голямо е неговото въздействие." И естеството на това въздействие зависи от квантовите свойства на самия материал.
Антимон може да действа като топологичен изолатор - материал, който функционира като изолатор навсякъде с изключение на повърхността.
Тези свойства могат да бъдат много различни. Някои материали действат като отделни вселени със собствените си физически закони, сякаш са в множеството на материалите. „Много важна идея в съвременната физика на кондензираната материя е, че имаме на разположение материали - да речем, топологични изолатори - в рамките на които има различни набори от правила“, казва Питър Армитаж, физик на кондензираната материя от университета Джон Хопкинс.
Някои материали действат като магнитни монополи - точкови магнити със северен полюс, но без южен полюс. Физиците откриха също така наречените фракционни квазичастици и квазичастици, които действат като собствена антиматерия и могат да унищожат.
Ако подобни екзотични свойства съществуват и в други материали, те биха могли да се разкрият в квантови атмосфери. Цял набор от нови имоти биха могли да бъдат разкрити, просто чрез сондиране на атмосферата на материали, казва Вилчек.
За да демонстрират идеята си, Джан и Вилчек се съсредоточиха върху необичаен набор от правила - аксионна електродинамика - които могат да доведат до уникални свойства. Wilchek излезе с тази теория през 1987 г., за да демонстрира как една хипотетична частица, наречена аксион, може да взаимодейства с електричество и магнетизъм. (Преди това физиците изнесоха аксион, за да разрешат една от най-големите мистерии на физиката: защо взаимодействията, включващи силна сила, остават същите, ако частиците се заменят с античастици и се отразяват в огледало, запазвайки симетрията на заряда и четността (CP-симетрия). До този ден никой не беше открил потвърждаване на съществуването на аксиони, макар че не толкова отдавна има засилен интерес към тях като кандидати за тъмна материя.
Въпреки че тези правила няма да работят на повечето места във Вселената, те съвсем се проявяват в материал - например топологичен изолатор. „Начинът, по който електромагнитните полета взаимодействат в тези нови вещества, топологични изолатори, е по същество същият, както ако те взаимодействат с колекция от аксиони“, казва Wilczek.
Дефекти в диамантите
Ако материал като топологичен изолатор се подчинява на законите на аксиалната електродинамика, неговата квантова атмосфера може да реагира на всичко, което го пресича. Джан и Вилчек изчислиха, че подобен ефект би бил подобен на проявата на магнитно поле. По-специално те откриха, че ако поставите определена система от атоми или молекули в атмосферата, техните нива на квантова енергия се променят. Учените могат да измерят промяната в тези нива, като използват стандартни лабораторни методи. „Това е необичайна, но интересна идея“, казва Armitage.
Една от тези потенциални системи е диамантена сонда с така наречените азотно-заместени ваканции (NV центрове). NV центърът е вид дефект в кристалната структура на диаманта, когато въглеродният атом на диаманта се заменя с азотен атом и място, близко до азот, остава празно. Квантовото състояние на такава система е силно чувствително, което позволява NV центровете да усещат дори и най-слабите магнитни полета. Това свойство ги прави мощни сензори, които могат да се използват за най-различни цели в геологията и биологията.
Документът от Джанг и Вилчек, който те представят в „Писма за физически преглед“, само описва квантово атмосферно влияние, получено от аксионната електродинамика. За да се определи какви други свойства влияят на атмосферата, казва Вилчек, трябва да се правят и други изчисления.
Разрушаваща симетрия
По същество свойствата, които разкриват квантовите атмосфери, са представени от симетрии. Различните фази на веществото и свойствата, които им отговарят, могат да бъдат представени под формата на симетрия. Например в твърд кристал атомите са подредени в симетрична решетка, която се измества или завърта, за да образува идентични кристални модели. Когато го загреете, връзките се разрушават, решетъчната структура се разпада, материалът губи симетрията си и става известен в известен смисъл течен.
Материалите могат да нарушат други основни симетрии, като реципрочната симетрия на времето, на която се подчиняват повечето закони на физиката. Явленията могат да бъдат различни, ако ги отразявате в огледало и нарушавате симетрията на паритета.
Ако тези симетрии могат да бъдат нарушени в материала, тогава бихме могли да наблюдаваме неизвестни досега фазови преходи и потенциално екзотични свойства. Материалът с определено нарушаване на симетрията ще доведе до същото разбиване в сонда, която преминава през квантовата атмосфера, казва Улчек. Например, в вещество, което следва аксионна термодинамика, се нарушават симетриите както на времето, така и на паритета, но в комбинация не са. Докосвайки атмосферата на материала, можете да разберете дали и до каква степен той нарушава симетрията.
Вилчек казва, че вече е обсъдил идеята с експериментаторите. Освен това тези експерименти са доста осъществими, дори не след години, а след седмици и месеци.
Ако всичко се получи, терминът "квантова атмосфера" ще намери постоянно място в лексикона на физиците. По-рано Wilczek вече е въвел термини като аксиони, аниони (квазичастици, които могат да бъдат полезни за квантовите изчисления) и времеви кристали. Квантовите атмосфери също могат да задържат.
Иля Кел