V zadnjih nekaj letih so nekateri materiali postali dokazilo fizikom. Ti materiali niso ravno iz nič posebnega - navadnih delcev, protonov, nevtronov in elektronov. Vendar so več kot le seštevek njihovih delov. Ti materiali imajo celo vrsto zanimivih lastnosti in pojavov in so včasih fizike celo pripeljali do novih snovi - poleg trdnih, plinastih in tekočih, ki jih poznamo že od otroštva.
Ena vrsta materiala, ki ga fiziki še posebej skrbijo, je topološki izolator - in širše topološka faza, katere teoretični temelji so vodili njihove izumitelje do Nobelove nagrade leta 2016. Na površini topološkega izolatorja elektroni tekoče tečejo, znotraj pa stojijo negibno. Površina je kot kovinski prevodnik, notranja stran pa kot keramični izolator. Topološki izolatorji so pritegnili pozornost zaradi svoje izjemne fizike, pa tudi zaradi njihove potencialne uporabe v kvantnih računalnikih in tako imenovanih spintronskih napravah, ki uporabljajo spiranje elektronov in svoj naboj.
To eksotično vedenje ni vedno očitno. "Tega ne morete preprosto reči, če gledate material v tradicionalnem smislu, ali ima tovrstne lastnosti ali ne," pravi Frank Wilczek, fizik na MIT in nobelov nagrajenec iz fizike leta 2004.
Kaj je še kvantno ozračje?
Izkazalo se je, da lahko veliko na videz navadnih materialov vsebuje skrite, a nenavadne in po možnosti uporabne lastnosti. V nedavno objavljenem članku sta Wilchek in Kin-Dong Zhang, fizika na univerzi v Stockholmu, predlagala nov način za raziskovanje takšnih lastnosti: s preučevanjem subtilne avre, ki obdaja material. Poimenovali so jo kvantna atmosfera.
To ozračje bi lahko razkrilo nekatere temeljne kvantne lastnosti materiala, ki bi jih fiziki nato lahko izmerili. Če ga potrdijo poskusi, ta pojav ne bo le eden redkih makroskopskih manifestacij kvantne mehanike, pravi Wilczek, ampak bo postal tudi močno orodje za raziskovanje novih materialov.
"Če bi me vprašali, ali se lahko zgodi kaj takega, bi rekel, da je ideja smiselna," pravi Taylor Hughes, teoretičarka zgoščene snovi na Univerzi v Illinoisu v Urbani-Champaign. In doda: "Predvidevam, da bo učinek zelo šibek." V svoji novi analizi pa sta Zhang in Vilchek izračunala, da bo načeloma kvantni atmosferski učinek znotraj zaznavnega območja.
Promocijski video:
Poleg tega, ugotavlja Wilchek, bodo takšni učinki lahko zaznani zelo kmalu.
Območje vpliva
Kvantna atmosfera je, razlaga Wilczek, tanka cona vpliva okoli materiala. Iz kvantne mehanike izhaja, da vakuum ni popolnoma prazen; napolnjena je s kvantnimi nihanji. Če vzamete na primer dve nepolnjeni plošči in jih postavite drug ob drugem v vakuum, se lahko med njimi stisnejo le kvantna nihanja z valovnimi dolžinami, krajšimi od razdalje med ploščami. Toda od zunaj bodo na ploščah padala nihanja vseh valovnih dolžin. Zunaj bo več energije kot znotraj, kar bo povzročilo, da združena sila stisne plošče skupaj. To je učinek Casimirja in je podoben učinku kvantne atmosfere, pravi Wilczek.
Tako kot plošča zazna močnejšo silo, ko se približuje drugemu, bo igla sonda začutila učinek kvantne atmosfere, ko se približuje materialu. "To je kot običajno vzdušje," pravi Wilchek. "Bližje kot si, večji je njen vpliv." In narava tega vpliva je odvisna od kvantnih lastnosti samega materiala.
Antimona lahko deluje kot topološki izolator - material, ki deluje kot izolator povsod, razen na površini.
Te lastnosti so lahko zelo različne. Nekateri materiali delujejo kot ločeni vesolji s svojimi fizičnimi zakoni, kot da so v multiverzumu materialov. "Zelo pomembna ideja sodobne fizike kondenziranih snovi je, da imamo na razpolago materiale - recimo topološke izolatorje - znotraj katerih deluje drugačen sklop pravil," pravi Peter Armitage, fizik zgoščene snovi na univerzi Johns Hopkins.
Nekateri materiali delujejo kot magnetni monopol - točkovni magneti s severnim polomom, vendar brez južnega pola. Fiziki so odkrili tudi tako imenovane frakcijske delce z električnim nabojem in kvazipartikle, ki delujejo kot lastna antimaterija in se lahko uničijo.
Če bi podobne eksotične lastnosti obstajale v drugih materialih, bi se lahko razkrile v kvantnih atmosferah. Celo kopico novih lastnosti bi bilo mogoče odkriti s sondiranjem atmosfere materialov, pravi Wilchek.
Zhang in Wilchek sta se, da bi demonstrirala svojo zamisel, osredotočila na nenavaden nabor pravil - aksonsko elektrodinamiko -, ki lahko vodijo do edinstvenih lastnosti. Wilczek je pri tej teoriji prišel leta 1987, da bi pokazal, kako lahko hipotetični delci, imenovani aksion, vplivajo na elektriko in magnetizem. (Pred tem so fiziki postavili aksion za razrešitev ene največjih skrivnosti fizike: zakaj interakcije, ki vključujejo močno silo, ostanejo enake, če delce zamenjajo delci in se odražajo v ogledalu, ohranijo simetrijo naboja in parnosti (CP-simetrija). Do tega dne nihče ni našel nobenega potrditev obstoja aksionov, čeprav ne tako dolgo nazaj se je povečalo zanimanje zanje kot kandidati za temno snov.
Čeprav ta pravila ne bodo delovala v večini krajev v vesolju, se v materialu, kot je topološki izolator, precej manifestirajo. "Način, kako elektromagnetna polja medsebojno vplivajo na te nove snovi, topološke izolatorje, je v bistvu enak, kot če bi komunicirali z zbirko akcij," pravi Wilczek.
Napake v diamantih
Če material, kot je topološki izolator, upošteva zakone aksonalne elektrodinamike, lahko njegova kvantna atmosfera reagira na vse, kar ga prečka. Zhang in Vilchek sta izračunala, da bi bil tak učinek podoben manifestaciji magnetnega polja. Zlasti so ugotovili, da če v atmosfero postavite določen sistem atomov ali molekul, se njihove količine kvantne energije spremenijo. Znanstveniki lahko merijo spremembo teh ravni s standardnimi laboratorijskimi metodami. "To je nenavadna, a zanimiva ideja," pravi Armitage.
Eden od teh potencialnih sistemov je diamantna sonda s tako imenovanimi dušikovo substituciranimi prosta delovna mesta (NV centri). NV središče je nekakšna okvara kristalne strukture diamanta, ko ogljikov atom diamanta nadomesti atom dušika, mesto blizu dušika pa ostane prazno. Kvantno stanje takšnega sistema je zelo občutljivo, kar omogoča, da NV centri dojemajo tudi najšibkejša magnetna polja. Ta lastnost jih naredi močne senzorje, ki jih je mogoče uporabiti za najrazličnejše namene v geologiji in biologiji.
V prispevku Zhang in Vilchek, ki sta ga predložila v Fizični revizijski pismi, je opisan le kvantni atmosferski vpliv, ki izhaja iz aksionične elektrodinamike. Za ugotovitev, katere druge lastnosti vplivajo na ozračje, pravi Wilchek, je treba opraviti še druge izračune.
Razbijanje simetrije
V bistvu so lastnosti, ki jih razkrivajo kvantne atmosfere, predstavljene s simetrijami. Različne faze snovi in lastnosti, ki jim ustrezajo, so lahko predstavljene v obliki simetrije. Na primer, v trdnem kristalu so atomi razporejeni v simetrični rešetki, ki se premika ali vrti, da tvori enake kristalne vzorce. Ko ga segrejete, se vezi zlomijo, rešetkasta struktura se poruši, material izgubi svojo simetrijo in postane v določenem smislu tekoč.
Materiali lahko porušijo druge temeljne simetrije, kot je na primer vzajemna simetrija, ki se jih drži večina fizikalnih zakonov. Pojavi so lahko različni, če jih odsevate v ogledalu in razbijete simetrijo paritete.
Če lahko te simetrije razbijemo v materialu, potem lahko opazimo prej neznane fazne prehode in potencialno eksotične lastnosti. Material z določenim lomljenjem simetrije bo povzročil enak razpad v sondi, ki prehaja skozi kvantno atmosfero, pravi Wilczek. Na primer, v snovi, ki sledi aksionični termodinamiki, se porušijo simetrije časa in paritete, vendar v kombinaciji niso. Z dotikom atmosfere materiala lahko ugotovite, ali in v kolikšni meri krši simetrijo.
Wilchek pravi, da se je z eksperimentatorji že pogovarjal o ideji. Še več, ti poskusi so povsem izvedljivi, tudi ne v letih, ampak v tednih in mesecih.
Če se bo vse izšlo, bo izraz "kvantna atmosfera" našel stalno mesto v leksikonu fizikov. Wilczek je že prej koval izraze, kot so aksije, anioni (kvazipartikli, ki so lahko uporabni za kvantno računanje) in časovni kristali. Tudi kvantne atmosfere se lahko zadržijo.
Ilya Khel
