"Quantum vibe" kan avslöja hemligheter av materia

Under de senaste åren har en del material var marken för fysiker. Dessa material är inte att vara gjort av något speciellt vanliga partiklar, protoner, neutroner och elektroner. Men de är mer än bara summan av sina delar. Dessa material har en rad intressanta egenskaper och fenomen, och ibland även lett fysiker att nya Stater i fråga — efter fasta ämnen, gaser och vätskor, som vi känner från barndomen.

En av de typer av material som särskilt väcker fysiker, är en topologisk isolator — och, mer generellt, för den topologiska fasen, den teoretiska grunder som har lett sina uppfinnare till Nobelpriset i 2016. På ytan av en topologisk isolator elektronerna flyter smidigt, men inuti är det fortfarande. Ytan av metallen dirigent, och inne — som en keramisk isolator. Topologiska isolatorer har rönt uppmärksamhet för sina ovanliga fysik och potentiella tillämpning i kvantdatorer och så kallade spinntroniska enheter som använder spin av elektroner och deras avgift.

Denna exotiska beteende är inte alltid självklart. "Du kan inte bara säga, med tanke på materialet i traditionell mening, han har en sådan typ av egenskaper eller inte, säger Frank Wilczek, en fysiker från Massachusetts Institute of technology, som fick Nobelpriset 2004 i fysik.

Vad är quantum atmosfär?

Det Visar sig, att många till synes vanliga material kan innehålla dolda, men ovanligt och möjligen användbara egenskaper. I den nyligen publicerade verk av frank Wilczek och kin-Dong Zhang, en fysiker vid Stockholms Universitet, har föreslagit en ny metod för att utforska sådana egenskaper genom att studera den subtila aura som omger material. De kallade det för quantum atmosfär.

I denna atmosfär kan uppvisa vissa grundläggande kvantmekaniska egenskaperna hos de material som fysik kan sedan mätas. Om det bekräftas genom experiment, detta fenomen kommer inte bara att vara en av de få makroskopiska manifestationer av kvantmekaniken, säger frank Wilczek, men kommer att bli ett kraftfullt verktyg för studier av nya material.

"Om du frågade mig om något sånt här ska hända, jag skulle säga att denna idé är vettigt," sade Taylor Hughes, en kondenserad materia teoretiker från University of Illinois at Urbana-Champaign. Och han tillägger: "Anta att effekten kommer att vara mycket svag." I sin nya analys, men Zhang och frank Wilczek beräknat att, i princip, quantum atmosfärisk effekt kommer att upptäckas.

Dessutom, sade frank Wilczek, för att upptäcka sådana effekter, kan det vara möjligt att mycket snart.

Området inflytande

Quantum vibe, förklarar frank Wilczek, är en tunn zon inflytande runt materialet. Av kvantmekanik innebär att vakuum är inte helt tom, den är fylld med kvantmekaniska fluktuationer. Till exempel, om du tar två laddade plattor och placera dem sida vid sida i ett vakuum, bara kvantfluktuationer med våglängder kortare än avståndet mellan plattorna kommer att kunna klämma sig in mellan dem. Men utanför plattorna exponeras för fluktuationer av alla våglängder. Den energi utsidan mer än insidan av den, vilket kommer att medföra att den totala kraft för att pressa plåtarna tillsammans. Detta är Casimir-effekten, och det är liknande till den kvantmekaniska effekter av atmosfären, säger frank Wilczek.

Precis som albumet känns som en starkare kraft som närmar sig den andra nålen sond kommer att känna av effekterna av den kvantmekaniska av atmosfären, närmar sig materialet. "Det är som vanligt atmosfär", säger frank Wilczek. "Ju närmare du är det, ju större dess konsekvenser." Arten av denna effekt beror på kvantmekaniska egenskaperna hos materialet.

Antimon kan fungera som en topologisk isolator — ett material som fungerar som en isolator var som helst utom yta.

Dessa egenskaper kan vara mycket olika. Vissa material fungerar som separata universum med sin egen fysiska lagar, som det finns i multiversum material. "En mycket viktig idé i moderna kondenserade materiens fysik är så att vi har material — till exempel, topologiska isolatorer, inuti som driver en annan uppsättning regler," sade Peter Armitage, kondenserade materiens fysiker från Johns Hopkins University.

Vissa material fungerar som magnetiska monopoler — magneter punkt till nordpolen, men inte Söder. Fysiker har också upptäckt den så kallade kvasi-partiklar med fraktionerad elektrisk laddning och kvasi-partiklar, som fungerar som sin egen antimateria och är i stånd att förinta.

Om sådana exotiska egenskaper som finns i andra material, kan de visa sig i den kvantmekaniska omgivningar. Det skulle vara möjligt att avslöja en helt ny uppsättning av egenskaper helt enkelt sondering av atmosfären material, säger frank Wilczek.

För att visa sin idé, Zhang och frank Wilczek fokuserade på en ovanlig uppsättning regler — axion elektrodynamik — som kan leda till uppkomsten av unika egenskaper. Vilcek kom till denna teori 1987 för att visa hur en hypotetisk partikel som kallas axion skulle interagera med elektricitet och magnetism. (Före detta, fysiker har föreslagit axion för att lösa ett av de största mysterierna i fysik: varför är interaktionen med stark kraft att förbli den samma, om partiklarna är ersatt av antipartiklarna, och spegla sig i spegeln, att hålla symmetrin kostnad och paritet (CP-symmetrin). Till denna dag har man inte funnit några bevis för existensen av axions,även om det inte är så länge sedan, att dem verkade vara ett ökat intresse som kandidater till mörk materia.

Även om dessa regler inte kommer att fungera på de flesta ställen i Universum, de är ganska uppenbara inne i materialet, såsom en topologisk isolator. "Hur elektromagnetiska fält samverkar i dessa nya material, topologiska isolatorer, det är i huvudsak den samma som om de hade interagera med en samling av axions," säger frank Wilczek.

Defekter i diamonds

Om sådant material som topologisk isolator lyda lagarna i axion elektrodynamik, quantum atmosfären kan reagera på något som korsar den. Zhang och frank Wilczek beräknat att denna effekt kommer att vara liknande manifestation av det magnetiska fältet. I synnerhet de fann att om du placerar ett visst system av atomer eller molekyler i atmosfären, deras kvantmekaniska energinivåerna förändring. Forskarna kan mäta förändring till dessa nivåer med hjälp av standardiserade laboratoriemetoder. "Detta är en ovanlig men intressant idé, säger Armitage.

En sådan potential system — diamond sond med den så kallade kväve-substituerade arbetsplatser (NV centra). NV-center är en typ av defekter i kristallstrukturen av diamant när kolatomen i diamond är ersatt av en kväveatom, och platsen är nära kväve, är fortfarande tomt. Den kvantmekaniska tillstånd av ett sådant system är mycket känslig, så NV-center för att känna att även de svaga magnetiska fält. Denna egenskap gör dem till kraftfulla sensorer som kan användas för många olika ändamål inom Geologi och biologi.

"Detta är ett stort bevis på principen", säger Hughes. En ansökan kan vara kartlägga egenskaperna hos materialet. Dra till NV centrum genom materialet som en topologisk isolator, skulle det vara möjligt att avgöra hur ändrar dess egenskaper över hela ytan.

Arbetet av Zhang och frank Wilczek som de har lämnat till Physical Review Letters, beskrivs endast den kvantmekaniska av atmosfärisk påverkan som härrör från axion elektrodynamik. För att ta reda på vilka andra egenskaper som påverkar stämningen, säger frank Wilczek, du behöver för att göra andra beräkningar.

att Bryta symmetri

I själva verket är de egenskaper som avslöjar quantum av den atmosfär, som representeras av symmetrier. De olika faserna i fråga, och egenskaper som motsvarar dem, kan vara representerade i form av symmetrier. I en solid kristall, t ex, atomerna ordnade i en symmetrisk gitter, som flyttar eller roterar med bildandet av identiska kristallina system. När du värmer upp, relationer förstörs, lattice-strukturen kollapsar, materialet förlorar sin symmetri och blir flytande i någon mening.

Material som kan kränka andra fundamentala symmetrier som symmetri i omvänd tid, som konstaterar att de flesta av fysikens lagar. Andra fenomen kan, om återspeglas i spegeln och bryter symmetrin i paritet.

Om dessa symmetrier kan brytas i materialet, kunde vi konstatera en tidigare okänd fasövergångar och potentiellt exotiska egenskaper. Material med vissa kränkningar av symmetrier kommer att orsaka samma brott i sonden, som passerar genom den kvantmekaniska atmosfär, säger frank Wilczek. Till exempel i fråga, som bör axion termodynamik bruten symmetri och tid och paritet, men kombinerat dem. Att röra känsla av material, kan du ta reda på om det bryter symmetrin, och i vilken omfattning.

"en Del material är hemligheten till att bryta symmetri, som vi inte ens känner och som inte förväntar sig att se, säger han. "De kommer att verka oskyldig men dölja sina hemligheter."

Wilczek sade att han hade diskuterat idén med praktiker. Dessutom, dessa experiment helt möjligt, och inte ens år, men i veckor och månader.

Om allt fungerar, termen "quantum vibe" kommer att hitta en permanent plats i lexikonet fysiker. Tidigare, Wilczek har uppfunnit termer som axions, anyons (quasiparticles, som kan vara användbara för quantum computing) och kristaller av tid. Quantum of atmosfären kan också vara försenat.

Vad tror du? Berätta för oss i vår