"Quantum vibe" kan avsløre hemmelighetene av saken

I Løpet av de siste par år noen materialer som var grunnen for fysikere. Disse materialene er ikke å være laget av noe spesielt — vanlige partikler (protoner, nøytroner og elektroner. Men de er mer enn bare summen av sine deler. Disse materialene har en rekke interessante egenskaper og fenomener, og noen ganger til og med ført fysikere til nye Tilstander av sak — etter faste stoffer, i gassform og flytende, som vi kjenner fra barndommen.

En av de typer av materiale som spesielt interesserer fysikere, er en topologiske isolator — og, mer generelt, av topologiske fase, det teoretiske grunnlaget som har ført sine oppfinnere nobelprisen i 2016. På overflaten av en topologiske isolator elektronene flyter jevnt, men inni er det fortsatt. Overflaten av metall dirigent, og inne — som en keramiske isolator. Topologiske isolatorer har tiltrukket seg oppmerksomhet for sin uvanlige fysikk og potensielle bruk i kvante-datamaskiner og såkalte spintronic enheter som benytter det spinn av elektroner og sine kostnader.

Denne eksotiske atferd er ikke alltid åpenbare. "Du kan ikke bare si, vurderer materialet i tradisjonell forstand, han har en slik type egenskaper eller ikke, sier Frank Wilczek, en fysiker fra Massachusetts Institute of technology, nobelprisvinner 2004 i fysikk.

Hva er quantum atmosfære?

Det Viser seg at mange tilsynelatende vanlige materialer kan inneholde skjult, men uvanlige og muligens nyttige egenskaper. I den nylig publiserte arbeid Wilczek og pårørende-Dong Zhang, en fysiker fra Universitetet i Stockholm, har foreslått en ny metode for å utforske slike egenskaper ved å studere den subtile aura, som omgir materialet. De kalte det den quantum atmosfære.

I denne atmosfæren kan vise noen grunnleggende quantum egenskapene til materialet som fysikken kan da bli målt. Hvis det er bekreftet av eksperimenter, dette fenomenet vil ikke bare være ett av de få makroskopiske manifestasjoner av kvantemekanikk, sier Wilczek, men vil bli et kraftig verktøy for studier av nye materialer.

"Hvis du spurte meg om noe som dette til å skje, ville jeg si at denne ideen er fornuftig," sa Taylor Hughes, en kondenserte fasers teoretiker fra University of Illinois at Urbana-Champaign. Og han legger til: "Anta at effekten vil være svært svak." I sin nye analyser, men Zhang og Wilczek beregnet at det i prinsippet, quantum atmosfæriske effekten vil være synlig.

Videre, sa Wilczek, til å oppdage slike virkninger, kan det være mulig veldig snart.

- Området innflytelse

Quantum vibe, forklarer Wilczek, er en tynn sone av innflytelse rundt materialet. Av kvantemekanikk innebærer at vakuum ikke er helt tom, det er fylt med quantum svingninger. For eksempel, hvis du tar to belastet platene og legg dem side ved side i et vakuum, bare quantum svingninger med bølgelengder kortere enn avstanden mellom platene vil være i stand til å presse mellom dem. Men utenfor platene være utsatt for svingninger i alle bølgelengder. Energi utenfor er mer enn innsiden, noe som vil føre til at den totale makt for å presse platene sammen. Dette er Casimir-effekten, og det er omtrent det kvantifisere effekter av atmosfæren, sier Wilczek.

Akkurat som albumet føler en sterkere kraft nærmer seg den andre, nålen sonden vil føle effekten av quantum av atmosfæren, nærme seg materialet. "Det er som vanlig atmosfære", sier Wilczek. "Jo nærmere du er, jo større betydning." Arten av denne virkningen avhenger av quantum egenskapene til materialet.

Antimon kan fungere som en topologiske isolator — et materiale som fungerer som en isolator hvor som helst, bortsett fra overflaten.

Disse egenskapene kan være svært forskjellige. Noen materialer opptre som separate univers med sine egne fysiske lover, som det er i multivers materialer. "En svært viktig idé i moderne kondenserte fasers fysikk er slik at vi har materialet — for eksempel, topologiske isolatorer, inne som driver et annet sett med regler," sa Peter Armitage, kondenserte fasers fysiker fra Johns Hopkins University.

Noen materialer fungere som magnetiske enpoler — magneter punkt til nordpolen, men ikke i Sør. Fysikere har også oppdaget den såkalte kvasi-partikler med brøk elektrisk ladning og kvasi-partikler, som fungerer som sin egen antimaterie og er i stand til å tilintetgjøre.

Hvis slike eksotiske egenskaper finnes i andre materialer, kunne de avsløre seg selv i quantum atmosfærer. Det ville være mulig å avdekke et helt nytt sett av egenskaper som bare sondering av atmosfæren materiale, sa Wilczek.

For å demonstrere sin idé, Zhang og Wilczek fokusert på en uvanlig sett av regler — axion electrodynamics — noe som kan føre til fremveksten av unike egenskaper. Vilcek kom til denne teorien i 1987, for å demonstrere hvordan en hypotetisk partikkel kalt axion ville samhandle med elektrisitet og magnetisme. (Før dette, fysikere har foreslått axion til å løse en av de største mysteriene i fysikk: hvorfor er samspillet med sterk kraft forbli den samme, hvis partiklene er erstattet av antiparticles, og reflekterer i speilet, holde symmetri av kostnad og paritet (CP-symmetri). Til denne dag har man ikke funnet noen bevis for eksistensen av axions,selv om ikke så lenge siden, til dem dukket det opp en økt interesse som kandidater til mørk materie.

Selv om disse reglene ikke vil fungere på de fleste steder i Universet, de er ganske åpenbar inne i materialet, for eksempel en topologiske isolator. "Hvordan elektromagnetiske felt samhandle i disse nye materialer, topologiske isolatorer, det er egentlig det samme som om de var i samspill med en samling av axions, sier Wilczek.

Feil i diamanter

Hvis slikt materiale som topologiske isolator adlyde lovene i axion electrodynamics, quantum atmosfæren kan reagere på noe som går på tvers av det. Zhang og Wilczek beregnet at denne effekten vil være lik manifestasjon av det magnetiske feltet. I særdeleshet, har de funnet ut at hvis du plasserer et bestemt system av atomer eller molekyler i atmosfæren, deres quantum energi nivåer endre. Forskere kan bruke til å måle endring av disse nivåene ved hjelp av standard laboratoriemetode. "Dette er en uvanlig, men interessant idé," sier Armitage.

Ett slikt system — diamond-probe med den såkalte nitrogen-substituerte ledige stillinger (NV-sentre). NV-center er en type feil i crystal structure of diamond når karbon atom i diamond er erstattet av et nitrogen atom, og stedet er nær nitrogen, forblir tom. Quantum staten av et slikt system er svært følsom, slik at NV sentrene, for å føle selv de svake magnetfelt. Denne egenskapen gjør dem kraftig sensorer som kan brukes til mange ulike formål i Geologi og biologi.

"Dette er et flott bevis på prinsippet, sier Hughes. En applikasjon kan være å kartlegge egenskapene til materialet. Å dra til TRONDHEIM sentrum gjennom materialet som en topologiske isolator, ville det være mulig å finne ut hvordan å endre sine egenskaper over hele overflaten.

Arbeidet med Zhang og Wilczek at de har sendt inn til Physical Review Letters, beskriver bare quantum of atmosfærisk påvirkning avledet fra axion electrodynamics. For å finne ut hvilke andre egenskaper påvirker atmosfæren, sier Wilczek, du trenger å gjøre andre beregninger.

Bryte av symmetri

Faktisk egenskaper som avslører quantum av atmosfæren, representert ved symmetrier. De ulike faser av saken, og egenskaper som svarer til dem, kan være representert i form av symmetrier. I en solid krystall, f.eks. atomene er ordnet i en symmetrisk gitter, som dytter, eller roterer med dannelsen av identiske krystallinsk ordninger. Når du varme opp, relasjoner er ødelagt, gitter-struktur kollapser, materialet mister sin symmetri og blir flytende i noen forstand.

Materiale kan stride mot andre fundamentale symmetrier som symmetri av inverse tid, som observerer de fleste av de fysiske lovene. Andre fenomener, hvis reflektert i speilet og bryte symmetrien av paritet.

Hvis disse symmetrier kan være brutt i materialer, vil vi kunne observere en tidligere ukjent fase overganger og potensielt eksotiske egenskaper. Materiale med visse overtredelser av symmetrier vil føre til det samme brudd i sonden, som går gjennom quantum atmosfære, sier Wilczek. For eksempel i saken, som bør axion termodynamikk brutt symmetri og tid og paritet, men kombinert dem. Å berøre den følelsen av materialet, kan du finne ut om det bryter med symmetri, og til hvilken grad.

"Noen materialer er hemmeligheten til å bryte symmetri, som vi ikke engang kjenner, og som ikke forvente å se, sier han. "De vil virke uskyldig, men du vil skjule sine hemmeligheter."

Wilczek sa at han hadde diskutert ideen med forskere. Videre, disse eksperimentene helt mulig, og selv ikke i år, men i uker og måneder.

Hvis alt fungerer, begrepet "quantum vibe" vil finne en fast plass i leksikonet av fysikere. Tidligere, Wilczek har oppfunnet ord som axions, anyons (quasiparticles, noe som kan være nyttig for quantum computing) og krystaller av tid. Quantum of atmosfæren kan også bli forsinket.

Hva tror du? Fortell oss i vår