Az elmúlt években néhány anyag bizonyító erejűvé vált a fizikusok számára. Ezek az anyagok nem pontosan készültek valami különlegesből - rendes részecskékből, protonokból, neutronokból és elektronokból. De ők nem csupán részek összegét képezik. Ezeknek az anyagoknak sokféle érdekes tulajdonsága és jelensége van, sőt a fizikusokat néha az anyag új állapotaiba is vezetik - a szilárd, gáz-halmazállapotú és folyékony anyagokon kívül, amelyeket gyermekkorunkból ismerünk.
Az egyik olyan anyagtípus, amelyben a fizikusok különösen aggódnak, a topológiai szigetelő - és tágabb értelemben a topológiai szakaszok, amelyek elméleti alapjai a feltalálóikat 2016-ban a Nobel-díjhoz vezették. A topológiai szigetelő felületén az elektronok simán áramlanak, de belül mozdulatlanul állnak. A felület olyan, mint egy fémvezető, a belseje pedig mint egy kerámia szigetelő. A topológiai szigetelők felhívták a figyelmet szokatlan fizikájukkal, valamint potenciális alkalmazásukkal kvantumszámítógépekben és az úgynevezett spintronikus eszközökben, amelyek elektronok forgását és töltését használják.
Ez az egzotikus viselkedés nem mindig nyilvánvaló. "Nem mondhatjuk ezt egyszerűen, ha egy anyagra nézünk a hagyományos értelemben, hogy van-e ilyen tulajdonságaink vagy sem" - mondja Frank Wilczek, a Massachusetts Technológiai Intézet fizikusa és a 2004-es Nobel-fizika fizikai díja.
Mi más a kvantum légkör?
Kiderült, hogy sok látszólag rendes anyag tartalmazhat rejtett, de szokatlan és esetleg hasznos tulajdonságokat. Egy nemrégiben megjelent cikkben Vilchek és Kin-Dong Zhang, a stockholmi egyetem fizikusa új módszert javasolt az ilyen tulajdonságok feltárására: az anyagot körülvevő finom aura tanulmányozásával. Kvantum légkörnek hívták.
Ez a légkör felfedheti az anyag néhány alapvető kvantumjellemzőjét, amelyet a fizikusok meg tudtak mérni. Ha kísérletekkel megerősítik, ez a jelenség nem csak a kvantummechanika néhány kevés makroszkopikus megnyilvánulása lesz - mondja Wilchek, hanem az új anyagok kutatásának hatékony eszközévé is válik.
"Ha azt kérdezi tőlem, hogy történhet-e valami ilyen, azt mondanám, hogy az ötletnek van értelme" - mondja Taylor Hughes, az Illinoisi Egyetem Urbana-Champaign-i tömörített témájú elmélete. És hozzáteszi: "Azt hiszem, a hatás nagyon gyenge lesz." Új elemzésükben azonban Zhang és Vilchek kiszámította, hogy elvileg a kvantum légköri hatás a kimutatható tartományon belül lesz.
Promóciós videó:
Sőt, Wilchek megjegyzi, hogy ilyen hatások nagyon hamar felfedezhetők.
Hatásterület
Wilczek kifejti, hogy a kvantum-légkör vékony befolyási zóna egy anyag körül. A kvantummechanikából következik, hogy a vákuum nem teljesen üres; tele van kvantumingadozásokkal. Például, ha két töltötlen lemezt vesz és egymás mellett helyezi őket vákuumban, akkor csak a lemezek közötti távolságnál rövidebb hullámhosszúságú kvantumingadozások tudnak nyomódni közöttük. De kívülről az összes hullámhossz ingadozása esni fog a lemezeken. Több energia lesz kívül, mint belül, ami a kombinált erő hatására a lemezeket összepréseli. Ez a Casimir-hatás és hasonló a kvantum-légkör hatásához - mondja Wilczek.
Ahogy a lemez egy erősebb erőt érzékel, amikor egy másikhoz közeledik, a tűszonda meg fogja érezni a kvantum-légkör hatását, amikor az anyaghoz közeledik. "Olyan, mint egy normál légkör" - mondja Wilchek. "Minél közelebb állsz hozzá, annál nagyobb a hatása." És ennek a hatásnak a jellege maga az anyag kvantum tulajdonságaitól függ.
Az antimon topológiai szigetelőként működhet - anyag, amely szigetelőként működik mindenhol, a felületet kivéve.
Ezek a tulajdonságok nagyon különbözőek lehetnek. Egyes anyagok különálló univerzumokként viselkednek saját fizikai törvényeikkel, mintha az anyagok sokaságában lennének. „A modern kondenzált anyagfizikában nagyon fontos ötlet az, hogy rendelkezésünkre állnak anyagok - mondjuk topológiai szigetelők - amelyekben más szabályok működnek” - mondja Peter Armitage, a Johns Hopkins Egyetem kondenzált anyag fizikusa.
Néhány anyag mágneses monopólusos mágnesként működik, északi pólusú, de nem déli pólusú. A fizikusok felfedezték az úgynevezett frakcionált elektromos töltésű négy részecskéket és a négy részecskéket is, amelyek saját antianyagként működnek és elpusztulhatnak.
Ha hasonló egzotikus tulajdonságok léteznek más anyagokban is, akkor felfedezhetik magukat kvantum légkörben. Nagyon sok új tulajdonság fedezhető fel egyszerűen az anyagok légkörének vizsgálatával - mondja Wilchek.
Ötlete demonstrálására Zhang és Wilchek egy szokatlan szabálykészletre - axion elektrodinamika - összpontosított, amelyek egyedi tulajdonságokhoz vezethetnek. Wilchek 1987-ben állította elő ezt az elméletet annak demonstrálására, hogy egy tengelynek nevezett hipotetikus részecske hogyan tud kölcsönhatásba lépni az elektromossággal és a mágnesességgel. (Ezt megelőzően a fizikusok tengelyt fogalmaztak meg a fizika egyik legnagyobb rejtélyének megoldására: miért nem változnak az erős erőt érintő interakciók, ha a részecskéket antikészecskék helyettesítik, és tükrökben tükrözik, megőrizve a töltés és paritás szimmetriáját (CP-szimmetria). A napig senki sem talált az axiók létezésének megerősítése, bár nem olyan régen fokozódott az érdeklődésük irántuk, mint a sötét anyag jelöltjére.
Noha ezek a szabályok az univerzum legtöbb helyén nem fognak működni, egy anyagban - például egy topológiai szigetelőben - valóban megmutatkoznak. "Az elektromágneses mezők kölcsönhatásának módja ezekben az új anyagokban, a topológiai szigetelőkben lényegében ugyanaz, mintha kölcsönhatásba lépnének az axiók gyűjteményével" - mondja Wilczek.
Gyémántok hibái
Ha egy anyag, például egy topológiai szigetelő, betartja az axiális elektrodinamika törvényeit, akkor kvantum légköre képes reagálni bármi másra, amely áthalad rajta. Zhang és Vilchek kiszámította, hogy egy ilyen hatás hasonló lehet a mágneses mező megnyilvánulásához. Különösen azt találták, hogy ha az atomok vagy molekulák egy adott rendszerét a légkörbe helyezi, akkor megváltozik a kvantum energiaszintje. A tudósok szabványos laboratóriumi módszerekkel mérhetik ezen szintek változását. "Ez egy szokatlan, de érdekes ötlet" - mondja Armitage.
Az egyik ilyen potenciális rendszer egy gyémánt próba úgynevezett nitrogén-szubsztituált üreshelyekkel (NV-központok). Az NV központ egyfajta hiba egy gyémánt kristályszerkezetében, amikor a gyémánt szénatomját nitrogénatom váltja fel, és a nitrogénhez közeli hely üres marad. Egy ilyen rendszer kvantumállapota nagyon érzékeny, amely lehetővé teszi, hogy az NV központok érzékeljék a leggyengébb mágneses tereket is. Ez a tulajdonság nagy teljesítményű érzékelővé teszi őket, amelyeket a geológia és a biológia különféle céljaira lehet felhasználni.
Zhang és Vilchek tanulmánya, amelyet a Physical Review Letters elé terjesztett, csak az axionikus elektrodinamika kvantum légköri hatását írja le. Wilchek szerint annak meghatározása érdekében, hogy milyen egyéb tulajdonságok befolyásolják a légkört, további számításokat kell végezni.
Szimmetria megtörése
Lényegében a kvantum-légkörök által feltárt tulajdonságokat szimmetriák ábrázolják. Az anyag különféle fázisai és az azoknak megfelelő tulajdonságok szimmetriák formájában mutathatók be. Például egy szilárd kristályban az atomok szimmetrikus rácsban vannak elrendezve, amely eltolódik vagy forog, hogy azonos kristálymintákat képezzen. Ha felmelegszik, a kötések eltörnek, a rácsszerkezet összeomlik, az anyag elveszíti szimmetriáját és bizonyos értelemben folyékonyvá válik.
Az anyagok megtörhetik más alapvető szimmetriákat, például a kölcsönös időszimmetriát, amelyet a legtöbb fizikai törvény betart. A jelenségek eltérőek lehetnek, ha tükrökben tükrözik őket, és megtörik a paritás-szimmetriát.
Ha ezek a szimmetriák megtörhetők az anyagban, akkor megfigyelhetjük a korábban ismeretlen fázisátmeneteket és az esetlegesen egzotikus tulajdonságokat. Bizonyos szimmetrikus törésű anyagok ugyanolyan meghibásodást okoznak egy szondában, amely áthalad a kvantum atmoszférán - mondja Wilczek. Például egy olyan anyagban, amely az axionikus termodinamikát követi, az idő és a paritás szimmetriái megsérülnek, de együttesen nem. Az anyag légkörének megérintésével megtudhatja, hogy az megsérti-e és milyen mértékben szimmetriát.
Wilchek elmondja, hogy az ötletről már megbeszélte a kísérletezőket. Sőt, ezek a kísérletek meglehetősen megvalósíthatók, még években sem, de hetekben és hónapokban.
Ha minden sikerül, a "kvantum légkör" kifejezés állandó helyet fog találni a fizikusok lexikójában. Wilczek korábban olyan kifejezéseket fogalmazott meg, mint az axiók, az anionok (kvázpartikulumok, amelyek hasznosak lehetnek a kvantumszámításhoz) és az időkristályok. A kvantum atmoszféra is elhúzódhat.
Ilya Khel