Quantum "atmosfera" pode desvendar os segredos de uma substância

Nos últimos anos, alguns materiais de aço de polígonos para físicos. Estes materiais não são feitos de algo especial comuns partículas, os prótons, os nêutrons e os elétrons. Mas eles são mais do que simplesmente a soma de suas partes. Estes materiais têm um conjunto curioso de propriedades e fenômenos, e às vezes até mesmo levaram os físicos a um novo estado da matéria, além de sólido, gasoso e líquido, que nós conhecemos desde a infância.

Um dos tipos de material, que, particularmente, me importo físicos, é topológica isolante — e, mais amplamente, topológicas fase, os fundamentos teóricos que levou seus inventores o prêmio Nobel no ano de 2016. Na superfície topológica do isolador, os elétrons fluem suavemente, e por dentro ficam mais parados. A superfície como os de metal do condutor, e o interior como os de cerâmica isolante. Os isolantes topológicos chamou a atenção por sua incomum física, bem como para a aplicação potencial em computadores quânticos e os chamados спинтронных dispositivos que usam o spin de um elétron e de sua carga.

É o exótico, o comportamento nem sempre é óbvio. "Você não pode apenas dizer, tratando de material, no sentido tradicional, ele tem esse tipo de propriedades ou não", diz Frank Вилчек, físico do instituto de tecnologia de Massachusetts, o vencedor do prêmio nobel de 2004 a física.

o Que é um quantum de atmosfera?

Acontece que, muitos, aparentemente, os materiais podem incluir escondido, mas incomuns e, talvez, de propriedades úteis. Em trabalho recentemente publicado Вилчек e Kin-Dong Chang, um físico da universidade de Estocolmo, propuseram um novo método de explorar tais propriedades são: estudar a aura fina, que envolve o material. Chamaram-lhe o quantum a atmosfera.

Nesta atmosfera poderia manifestar-se alguns fundamental propriedades quânticas do material de física, em seguida, pode medir. Se isso for confirmada por experiências, não é apenas um fenômeno é uma das poucas manifestações macroscópicas da mecânica quântica, diz Вилчек, mas e se tornar uma poderosa ferramenta para a pesquisa de novos materiais.

"Se você tivesse me perguntado se algo semelhante acontecer, eu diria que essa idéia não é desprovida de sentido", diz Taylor Hughes, o teórico конденсированного substância, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. E acrescenta: "Acho que o efeito é muito fraco". Em sua análise, no entanto, Zhang e Вилчек calculou que, em princípio quântico atmosférica, o efeito será dentro de encontrável.

Além disso, observa Вилчек, detectar tais efeitos, você poderá muito em breve.

Área de exposição

O Quantum a atmosfera, explica Вилчек, é uma área de efeito ao redor do material. A partir da mecânica quântica deve ser de que o vácuo não é completamente vazio; ele é preenchido com o quantum flutuações do motor. Por exemplo, se você pegar os dois não carregada a placa e coloque-os lado a lado em um vácuo, apenas as flutuações quânticas com comprimento de onda menor que a distância entre as placas podem espremer entre eles. Mas do lado de fora de пластинкам serão adicionadas as flutuações de todos os comprimentos de onda. A energia de fora vai ser mais, do que dentro, o que fará com que a riqueza de poder vai apertar a placa juntos. Este é o efeito Casimir, e ele é semelhante ao impacto do quantum da atmosfera, diz Вилчек.

Exatamente como o disco sente o poder mais forte, aproximando-se do outro, uma agulha de ponta de prova vai sentir o impacto do quantum da atmosfera, aproximando-se do material. "É como uma atmosfera", diz Вилчек. "Quanto mais próximo de você para ele, maior é o seu impacto". A natureza do impacto depende da quânticos propriedades do material em si.

Antimônio pode atuar como um topológica do isolador — material, que funciona como isolante em qualquer lugar além da superfície.

Estas propriedades podem ser diferentes. Alguns materiais funcionam como individuais universos com suas próprias leis físicas, que estão sentadas no multiverso de materiais. "É muito importante a idéia da física moderna condensado ambientes é que, à nossa disposição, há materiais — digamos, os isolantes topológicos — dentro do qual opera um conjunto diferente de regras", diz Peter Armitage, o físico condensado ambientes da Universidade Johns Hopkins.

Alguns materiais assumem o papel magnético монополей — se que o sistema de ímãs com o pólo norte, mas sem sul. A física também descobriu os chamados квазичастицы com fracionada carga elétrica e квазичастицы, que atuam em função de sua própria antimatéria e são capazes de аннигилировать.

Se esses exóticos propriedades existiam outros materiais, poderiam revelar-se quânticos atmosferas. Você poderia revelar todo um conjunto de novas propriedades, basta sondar a atmosfera de materiais, diz Вилчек.

Para demonstrar a sua idéia, Zhang e Вилчек focado em um conjunto de regras — аксионной электродинамике — que pode levar ao aparecimento de propriedades únicas. Вилчек chegou a esta teoria, em 1987, para demonstrar como a hipotética partícula sob o nome de axion poderia interagir com a electricidade e o magnetismo. (Antes de física avançamos axion para resolver um dos maiores mistérios da física: por que interagir com a participação do poder forte permanecem os mesmos, se as partículas substituir античастицами e refletir no espelho, mantendo a simetria de carga e paridade (CP-simetria). Até hoje, ninguém encontrou nada para justificar a existência de аксионов,apesar de não muito tempo atrás ele apareceu um aumento de interesse como a candidatos a matéria escura.

Embora essas regras não funcionam na maioria dos lugares do Universo, eles são completamente se manifestam no interior do material — tal como topológica do isolante. "Então, como os campos eletromagnéticos interagem nestas novas substâncias, topológicas isolamento, é essencialmente a mesma coisa, como se eles interagiram com a coleção de аксионов", diz Вилчек.

os Defeitos colegas de diamantes

Se este tipo de material, como topológica isolante, obedece às leis da аксионной rfm, o seu quantum atmosfera, pode responder a tudo o que a atravessa. Zhang e Вилчек calculou que esse efeito será semelhante a manifestação de um campo magnético. Em particular, eles descobriram que, se você colocar um sistema específico de átomos ou moléculas na atmosfera, a sua quântico-os níveis de energia são os mesmos. Os cientistas podem medir a modificação desses níveis, com a aplicação do padrão de laboratório de métodos. "Isto é extraordinário, mas é uma ideia interessante", disse Armitage.

Um dos tais potenciais de sistemas — diamante ponta de prova com os chamados азото-замещенными vagas (NV-centros). NV-o centro é uma espécie de defeito na estrutura cristalina do diamante, quando um átomo de carbono diamante substituído por um átomo de nitrogênio e um lugar próximo à азоту, permanece em branco. Quântica o estado de tal sistema высокочувствительное, que permite NV-centros de sentir até mesmo o mais fraco dos campos magnéticos. Esta propriedade faz com que a sua poderosa sensores, que podem ser usados para os mais diferentes objetivos geólogos e biologia.

"É um ótimo prova de princípio", diz Hughes. Uma das aplicações poderia ser a elaboração de um mapa das propriedades do material. Passar de NV-centro, através do material como topológica do isolador, pode-se identificar, como mudam suas propriedades em toda a superfície.

O Trabalho de Zhang e Вилчека que eles apresentaram no Physical Review Letters, descreve apenas quântico da influência atmosférica, obtido a partir de аксионной rfm. Para determinar quais ainda propriedades afetam a atmosfera, diz Вилчек, você precisará fazer outros cálculos.

Quebrar a simetria

Em essência, propriedades, que abrem o quantum da atmosfera, são apresentados simetrias. As diferentes fases de uma substância, e as propriedades que lhes correspondem, pode-se apresentar na forma de simetrias. Sólidos em um cristal, por exemplo, os átomos são organizados em симметрическую da grade, o que muda ou gira com a formação de idênticos de cristal de circuitos. Quando você está aquecendo, as comunicações são destruídos, решетчатая estrutura схлопывается, o material perde sua simetria e torna-se o líquido em certo sentido.

Materiais pode violar outras fundamentais de simetria, tais como simetria de tempo inverso, que cumpre com a maioria das leis da física. O fenômeno pode os outros, a se refletir-los no espelho, e violam a simetria de paridade.

Se essas simetria podem ser violados no material, podemos observar anteriormente desconhecidos transições de fase e potencialmente exóticos propriedades. Материл com certas dificuldades de simetrias vai causar a mesma finalidade e na ponta de prova, que passa por quântica, a atmosfera, diz Вилчек. Por exemplo, em substância, que deve ser аксионной termodinâmica, violados de simetria e de tempo e paridade, mas no conjunto deles — não. Ao tocar a atmosfera material, você pode aprender, viola a ela simetria e em que medida.

"Alguns materiais são o mistério violar a simetria, o que ainda não sabemos e que não esperamos para ver", diz ele. "Eles vão parecer inocentes, mas a esconder os seus segredos".

Вилчек diz que já discutiu a ideia com экспериментаторами. Para além disso, estas experiências são viáveis, nem mesmo através de anos, mas depois de semanas e meses.

Se for bem sucedida, o termo "quantum a atmosfera de" encontrar um lugar permanente no léxico físicos. Antes Вилчек já cunhou termos como аксионы, ânions (квазичастицы, que podem ser úteis para computação quântica) e cristais de tempo. O quantum da atmosfera também podem ficar mais tempo.

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