În ultimii ani, unele materiale au devenit o dovadă pentru fizicieni. Aceste materiale nu sunt făcute exact din nimic special - particule obișnuite, protoni, neutroni și electroni. Dar sunt mai mult decât doar suma părților lor. Aceste materiale au o serie întreagă de proprietăți și fenomene interesante și, uneori, chiar au condus fizicienii la noi stări de materie - pe lângă solide, gazoase și lichide, pe care le-am cunoscut încă din copilărie.
Un tip de material de care fizicienii sunt deosebit de îngrijorați este izolatorul topologic - și, mai pe larg, fazele topologice ale căror fundamente teoretice i-au condus pe inventatorii lor la Premiul Nobel în 2016. Pe suprafața unui izolator topologic, electronii curg lin, dar în interior stau nemișcați. Suprafața este ca un conductor de metal, iar interiorul este ca un izolator ceramic. Izolatorii topologici au atras atenția pentru fizica lor neobișnuită, precum și pentru aplicațiile lor potențiale în calculatoarele cuantice și așa-numitele dispozitive spintronice care folosesc rotirea electronilor și încărcarea lor.
Acest comportament exotic nu este întotdeauna evident. „Nu poți spune asta, având în vedere un material în sensul tradițional, indiferent dacă are sau nu acest tip de proprietăți”, spune Frank Wilczek, fizician la MIT și laureat Nobel în fizică din 2004.
Ce altceva este o atmosferă cuantică?
Se pare că multe materiale aparent obișnuite pot conține proprietăți ascunse, dar neobișnuite și, eventual, utile. Într-o lucrare publicată recent, Vilchek și Kin-Dong Zhang, fizician la Universitatea Stockholm, au propus o nouă modalitate de a explora astfel de proprietăți: studiind aura subtilă care înconjoară materialul. Au numit-o atmosfera cuantică.
Această atmosferă ar putea dezvălui unele dintre proprietățile cuantice fundamentale ale materialului pe care fizicienii l-ar putea măsura atunci. Dacă este confirmat de experimente, acest fenomen nu va fi doar una dintre puținele manifestări macroscopice ale mecanicii cuantice, spune Wilczek, dar va deveni și un instrument puternic pentru cercetarea materialelor noi.
„Dacă m-ai întreba dacă se poate întâmpla ceva de genul acesta, aș spune că ideea are sens”, spune Taylor Hughes, un teoretician al problemelor condensate de la Universitatea Illinois din Urbana-Champaign. Și adaugă: „Bănuiesc că efectul va fi foarte slab”. În noua lor analiză, însă, Zhang și Vilchek au calculat că, în principiu, efectul cuantic atmosferic ar fi în limitele detectabile.
Video promotional:
Mai mult, notează Wilchek, astfel de efecte pot fi detectate foarte curând.
Zona de impact
Atmosfera cuantică, explică Wilczek, este o zonă subțire de influență în jurul unui material. Din mecanica cuantică rezultă că vidul nu este complet gol; este umplut cu fluctuații cuantice. De exemplu, dacă luați două plăci neîncărcate și le așezați unul lângă altul într-un vid, numai fluctuațiile cuantice cu lungimi de undă mai mici decât distanța dintre plăci se pot strânge între ele. Dar din exterior, fluctuațiile tuturor lungimilor de undă vor cădea pe plăci. Va exista mai multă energie afară decât în interior, ceea ce va determina forța combinată să strângă plăcile împreună. Acesta este efectul Casimir și este similar cu efectul atmosferei cuantice, spune Wilczek.
La fel cum o placă simte o forță mai puternică pe măsură ce se apropie de alta, o sondă de ac va simți efectul atmosferei cuantice pe măsură ce se apropie de un material. „Este ca o atmosferă normală”, spune Wilchek. „Cu cât ești mai aproape de el, cu atât este mai mare impactul său.” Și natura acestui impact depinde de proprietățile cuantice ale materialului în sine.
Antimonia poate acționa ca un izolator topologic - material care funcționează ca izolator peste tot, cu excepția suprafeței.
Aceste proprietăți pot fi foarte diferite. Unele materiale acționează ca universuri separate cu propriile lor legi fizice, ca și cum ar fi în multiversul materialelor. „O idee foarte importantă în fizica modernă a materiilor condensate este că avem materiale la dispoziție - să zicem izolatori topologici - în cadrul cărora funcționează un set diferit de reguli”, spune Peter Armitage, un fizician în materie condensată de la Universitatea Johns Hopkins.
Unele materiale acționează ca monopoluri magnetice - magneți cu un pol nord, dar fără pol sud. Fizicienii au descoperit, de asemenea, așa-numitele cvasiparticule și cvasiparticule cu sarcină electrică fracțională, care acționează ca propria lor antimaterie și se pot anihila.
Dacă ar exista proprietăți exotice similare în alte materiale, ele s-ar putea dezvălui în atmosfera cuantică. Wilchek spune că o mulțime de proprietăți noi ar putea fi descoperite doar prin verificarea atmosferelor materialelor.
Pentru a demonstra ideea lor, Zhang și Wilchek s-au concentrat pe un set neobișnuit de reguli - electrodinamica axială - care poate duce la proprietăți unice. Wilchek a venit cu această teorie în 1987 pentru a demonstra cum o particulă ipotetică numită axie ar putea interacționa cu electricitatea și magnetismul. (Înainte de aceasta, fizicienii au propus o axiune pentru a rezolva unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii: de ce interacțiunile care implică o forță puternică rămân aceleași dacă particulele sunt înlocuite de antiparticule și reflectate într-o oglindă, păstrând simetria de încărcare și paritate (simetrie CP). Până în acea zi, nimeni nu a găsit niciunul confirmarea existenței axiunilor, deși nu a fost atât de mult timp în urmă, a existat un interes crescut pentru ei, în calitate de candidați pentru materia întunecată.
În timp ce aceste reguli nu vor funcționa în majoritatea locurilor din univers, ele se manifestă destul de mult în interiorul unui material - cum ar fi un izolator topologic. „Modul în care câmpurile electromagnetice interacționează cu aceste substanțe noi, izolatori topologici, este în esență același ca și cum ar interacționa cu o colecție de aciuni”, spune Wilczek.
Defecte în diamante
Dacă un material precum un izolator topologic se supune legilor electrodinamicii axiale, atmosfera sa cuantică poate reacționa la orice îl traversează. Zhang și Vilchek au calculat că un astfel de efect ar fi similar cu manifestarea unui câmp magnetic. În special, ei au descoperit că dacă introduceți un anumit sistem de atomi sau molecule în atmosferă, nivelul lor de energie cuantică se schimbă. Oamenii de știință pot măsura modificarea acestor niveluri folosind metode de laborator standard. „Este o idee neobișnuită, dar interesantă”, spune Armitage.
Unul dintre aceste sisteme potențiale este o sondă cu diamante cu așa-numitele posturi vacante substituite cu azot (centre NV). Un centru NV este un fel de defect în structura de cristal a unui diamant, când un atom de carbon al unui diamant este înlocuit de un atom de azot, iar un loc aproape de azot rămâne gol. Starea cuantică a unui astfel de sistem este extrem de sensibilă, ceea ce permite centrelor NV să sesizeze chiar și cele mai slabe câmpuri magnetice. Această proprietate le face senzori puternici care pot fi folosiți într-o mare varietate de scopuri în geologie și biologie.
Lucrarea de Zhang și Vilchek, pe care au trimis-o la Physical Review Letters, descrie doar influența cuantică atmosferică derivată din electrodinamica axionică. Pentru a determina ce alte proprietăți afectează atmosfera, spune Wilchek, trebuie făcute alte calcule.
Ruperea simetriei
În esență, proprietățile pe care atmosferele cuantice le dezvăluie sunt reprezentate de simetrii. Diferitele faze ale unei substanțe și proprietățile care le corespund pot fi reprezentate sub formă de simetrii. Într-un cristal solid, de exemplu, atomii sunt aranjați într-o rețea simetrică care se schimbă sau se rotește pentru a forma modele de cristal identice. Când îl încălziți, legăturile se rup, structura de zăbrele se prăbușește, materialul își pierde simetria și devine lichid într-un sens.
Materialele pot sparge alte simetrii fundamentale, cum ar fi simetria reciprocă a timpului, la care se supun majoritatea legilor fizicii. Fenomenele pot fi diferite dacă le reflectați într-o oglindă și rupți simetria parității.
Dacă aceste simetrii pot fi rupte în material, atunci am putea observa tranziții de fază necunoscute anterior și proprietăți potențial exotice. Materialul cu o anumită rupere de simetrie va provoca aceeași defalcare într-o sondă care trece prin atmosfera cuantică, spune Wilczek. De exemplu, într-o substanță care urmează termodinamica axionică, simetriile atât ale timpului, cât și ale parității sunt rupte, dar în combinație nu sunt. Atingând atmosfera materialului, puteți afla dacă și în ce măsură rupe simetria.
Wilchek spune că a discutat deja ideea cu experimentatorii. Mai mult, aceste experimente sunt destul de fezabile, chiar și nu în ani, ci în săptămâni și luni.
Dacă totul funcționează, termenul „atmosferă cuantică” își va găsi un loc permanent în lexiconul fizicienilor. Wilczek a avut anterior termeni cum ar fi axiuni, anioni (cvasiparticule care pot fi utile pentru calculul cuantic) și cristale de timp. Atmosferele cuantice pot dura și ele.
Ilya Khel
