Dažu pēdējo gadu laikā daži materiāli ir kļuvuši par pierādījumu fiziķiem. Šie materiāli nav precīzi izgatavoti no kaut kā īpaša - parastajām daļiņām, protoniem, neitroniem un elektroniem. Bet tie ir vairāk nekā tikai to daļu summa. Šiem materiāliem ir vesela virkne interesantu īpašību un parādību, un dažreiz viņi pat fiziķus noveda pie jauniem matērijas stāvokļiem - papildus cietajam, gāzveida un šķidrajam, ko mēs zinām jau no bērnības.
Viens no materiālu veidiem, par ko fiziķi īpaši uztraucas, ir topoloģiskais izolators - un, plašākā nozīmē, topoloģiskās fāzes, kuru teorētiskie pamati viņu izgudrotājus noveda pie Nobela prēmijas 2016. gadā. Uz topoloģiskā izolatora virsmas elektroni plūst vienmērīgi, bet iekšpusē tie nekustas. Virsma ir kā metāla vads, un iekšpuse ir kā keramikas izolators. Topoloģiskie izolatori ir piesaistījuši uzmanību ar savu neparasto fiziku, kā arī par potenciālo pielietojumu kvantu datoros un tā dēvētajās spintroniskajās ierīcēs, kas izmanto elektronu griešanos un to lādiņu.
Šī eksotiskā izturēšanās ne vienmēr ir acīmredzama. “To nevar vienkārši pateikt, raugoties uz materiālu tradicionālajā izpratnē, neatkarīgi no tā, vai tam ir šāda veida īpašības vai ne,” saka Frenks Vilčeks, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta fiziķis un 2004. gada Nobela prēmijas fizikas laureāts.
Kas vēl ir kvantu atmosfēra?
Izrādās, ka daudzos šķietami parastos materiālos var būt paslēptas, bet neparastas un, iespējams, noderīgas īpašības. Nesen publicētajā rakstā Vilcheks un Stokholmas universitātes fiziķi Kin-Dong Zhang ierosināja jaunu veidu, kā izpētīt šādas īpašības: izpētot smalko auru, kas ieskauj materiālu. Viņi to sauca par kvantu atmosfēru.
Šī atmosfēra varētu atklāt dažas materiāla pamatkvantu īpašības, kuras pēc tam fiziķi varēja izmērīt. Ja šī parādība tiks apstiprināta ar eksperimentiem, šī parādība būs ne tikai viena no nedaudzajām kvantu mehānikas makroskopiskajām izpausmēm, saka Vilczeks, bet tā arī kļūs par spēcīgu instrumentu jaunu materiālu izpētei.
“Ja jūs man jautātu, vai varētu notikt kaut kas līdzīgs, es teiktu, ka idejai ir jēga,” saka Teilore Hjūsa, Ilinoisas universitātes Urbana-Champaign saīsinātu jautājumu teorētiķe. Un viņš piebilst: "Es domāju, ka efekts būs ļoti vājš." Tomēr jaunajā analīzē Džans un Vilčeks aprēķināja, ka principā atmosfēras kvantu efekts būtu nosakāmā diapazonā.
Reklāmas video:
Turklāt, kā norāda Vilčeks, šādus efektus var atklāt ļoti drīz.
Ietekmes zona
Wilczek skaidro, ka kvantu atmosfēra ir neliela ietekmes zona ap materiālu. No kvantu mehānikas izriet, ka vakuums nav pilnīgi tukšs; tas ir piepildīts ar kvantu svārstībām. Piemēram, ja jūs paņemat divas neuzlādētas plāksnes un ievietojat tās vakuumā, tās var izspiest tikai kvantu svārstības ar viļņu garumu, kas ir mazāks par attālumu starp plāksnēm. Bet no ārpuses uz plāksnēm kritīsies visu viļņu garumu svārstības. Ārpusē, nevis iekšpusē, būs vairāk enerģijas, kas izraisīs kombinēto spēku, lai kopā saspiestu plāksnes. Šis ir Kazimira efekts un līdzīgs kvantu atmosfēras efektam, saka Vilčeks.
Tieši tāpat, kad plāksne uztver spēcīgāku spēku, tuvojoties citai, adatas zonde jutīs kvantu atmosfēras efektu, tuvojoties materiālam. “Tā ir kā normāla atmosfēra,” saka Vilčeks. "Jo tuvāk jūs tam atrodaties, jo lielāka būs tā ietekme." Un šīs ietekmes raksturs ir atkarīgs no paša materiāla kvantu īpašībām.
Antimons var darboties kā topoloģiskais izolators - materiāls, kas darbojas kā izolators visur, izņemot virsmu.
Šīs īpašības var būt ļoti atšķirīgas. Daži materiāli darbojas kā atsevišķi visumi, kuriem ir savi fizikālie likumi, it kā tie būtu daudzdaļīgā materiālā. “Ļoti svarīga mūsdienu kondensētās fizikas fizikā ir tā, ka mūsu rīcībā ir materiāli - teiksim, topoloģiskie izolatori -, kuru ietvaros darbojas atšķirīgs noteikumu kopums,” saka Pīters Armitaits, Džons Hopkinsa universitātes kondensēto lietu fiziķis.
Daži materiāli darbojas kā magnētiski monopoli - punktu magnēti ar ziemeļpolu, bet bez dienvidu pole. Fiziķi ir atklājuši arī tā saucamās frakcionētās elektriskā lādiņa kvazdaļiņas un kvazdaļiņas, kas darbojas kā viņu pašu antimērija un var iznīcināt.
Ja citiem materiāliem būtu līdzīgas eksotiskas īpašības, tie varētu atklāties kvantu atmosfērā. Vesela virkne jaunu īpašību varētu tikt atklāta, vienkārši pārbaudot materiālu atmosfēru, saka Vilčeks.
Lai demonstrētu savu ideju, Džans un Vilčeks pievērsās neparastam noteikumu kopumam - aksiānu elektrodinamikai -, kas var radīt unikālas īpašības. Vilčeks 1987. gadā nāca klajā ar šo teoriju, lai parādītu, kā hipotētiska daļiņa, ko sauc par aksi, varētu mijiedarboties ar elektrību un magnētismu. (Pirms tam fiziķi izvirzīja virzienu, lai atrisinātu vienu no lielākajiem fizikas noslēpumiem: kāpēc mijiedarbība ar spēcīgu spēku paliek tāda pati, ja daļiņas tiek aizstātas ar antidaļiņām un atspoguļotas spogulī, saglabājot lādiņa un paritātes simetriju (CP-simetrija). Līdz šai dienai neviens nebija atradis nevienu apstiprinājums par aksiāciju esamību, kaut arī ne tik sen ir palielinājusies interese par viņiem kā tumšās matērijas kandidātiem.
Kaut arī šie noteikumi nedarbosies lielākajā daļā Visuma vietu, tie diezgan labi izpaudīsies materiālā - piemēram, topoloģiskajā izolatorā. "Elektromagnētisko lauku mijiedarbības veids šajās jaunajās vielās - topoloģiskajos izolatoros - būtībā ir tāds pats kā tad, ja tie mijiedarbotos ar aksiāciju kolekciju," saka Vilczeks.
Dimantu defekti
Ja tāds materiāls kā topoloģiskais izolators pakļaujas aksiālās elektrodinamikas likumiem, tā kvantu atmosfēra var reaģēt uz jebko, kas to šķērso. Džans un Vilčeks aprēķināja, ka šāds efekts būtu līdzīgs magnētiskā lauka izpausmei. Jo īpaši viņi atklāja, ka, ja atmosfērā ievietojat noteiktu atomu vai molekulu sistēmu, mainās to kvantu enerģijas līmeņi. Zinātnieki var izmērīt šo līmeņu izmaiņas, izmantojot standarta laboratorijas metodes. “Tā ir neparasta, bet interesanta ideja,” saka Armitage.
Viena no šīm potenciālajām sistēmām ir rombveida zonde ar tā saucamajām ar slāpekli aizvietotajām vakancēm (NV centri). NV centrs ir sava veida defekts dimanta kristāla struktūrā, kad dimanta oglekļa atomu aizstāj ar slāpekļa atomu, un vieta, kas atrodas tuvu slāpeklim, paliek tukša. Šādas sistēmas kvantu stāvoklis ir ļoti jutīgs, kas ļauj NV centriem uztvert pat vājākos magnētiskos laukus. Šis īpašums padara tos par jaudīgiem sensoriem, kurus var izmantot dažādiem mērķiem ģeoloģijā un bioloģijā.
Zhang un Vilchek rakstā, kuru viņi iesniedza Physical Review Letters, aprakstīta tikai kvantu atmosfēras ietekme, kas iegūta no aksiālās elektrodinamikas. Vilcheks saka, ka, lai noteiktu, kādas citas īpašības ietekmē atmosfēru, jāveic citi aprēķini.
Pārkāpj simetriju
Būtībā īpašības, kuras atklāj kvantu atmosfēras, attēlo simetrijas. Vielas dažādās fāzes un tām atbilstošās īpašības var attēlot simetrijas veidā. Piemēram, cietajā kristālā atomi ir izvietoti simetriskā režģī, kas mainās vai griežas, veidojot identiskus kristāla modeļus. Sildot to, saites sabojājas, režģa struktūra sabrūk, materiāls zaudē savu simetriju un savā ziņā kļūst šķidrs.
Materiāli var sagraut citas fundamentālas simetrijas, piemēram, savstarpēju laika simetriju, ko ievēro lielākā daļa fizikas likumu. Parādības var būt atšķirīgas, ja tās atspoguļo spogulī un sagrauj paritātes simetriju.
Ja materiālā šīs simetrijas var salauzt, mēs varētu novērot iepriekš nezināmas fāžu pārejas un potenciāli eksotiskās īpašības. Materiāls ar noteiktu simetrijas pārrāvumu izraisīs tādu pašu sabrukumu zondes daļā, kas iet caur kvantu atmosfēru, saka Vilčeks. Piemēram, vielā, kurai seko aksiālā termodinamika, tiek sagrauta gan laika, gan paritātes simetrija, bet kombinācijā tās nav. Pieskaroties materiāla atmosfērai, jūs varat uzzināt, vai un cik lielā mērā tas sagrauj simetriju.
Vilčeks saka, ka viņš jau ir apspriedis ideju ar eksperimentētājiem. Turklāt šie eksperimenti ir diezgan iespējami, pat ne gados, bet nedēļās un mēnešos.
Ja viss izdosies, termins "kvantu atmosfēra" atradīs pastāvīgu vietu fiziķu leksikonā. Wilczek iepriekš bija izveidojis tādus terminus kā axions, anjoni (kvazdaļiņas, kas var būt noderīgas kvantu skaitļošanā) un laika kristāli. Kvantu atmosfēra var arī uzkavēties.
Iļja Khel
