«Квантовая атмосфера» может распахнуть секреты вещества

    За крайние пару лет некие материалы стали полигонами для физиков. Эти материалы и не то дабы изготовлены из чего-то особого — обычные крупицы, протоны, нейтроны и электроны. Однако они все больше, чем ординарно сумма них элементов. Эти материалы имеют целый комплект любознательных качеств и явлений, а уж время от времени даже приводили физиков к новейшим состояниям материи — кроме жесткого, газообразного и водянистого, кои мы знаем с юношества.

    «Квантовая атмосфера» может распахнуть секреты вещества

    Один из сортов материала, который в особенности беспокоит физиков, это же топологический изолятор — и, наиболее обширно, топологические фазы, теоретические базы которых привели них изобретателей к Нобелевской премии в 2016 году. На поверхности топологического изолятора электроны текут плавненько, а уж снутри стоят недвижно. Поверхность как только у чугунного проводника, а уж начинка — как только у глиняного изолятора. Топологические изоляторы завлекли внимание за собственную странную физику, равно как только и за возможное применение в квантовых персональных компьютерах и эдак именуемых спинтронных приборах, кои задействуют спин электронов и них заряд.

    Этакое экзотичное поведение и не все время явно. «Нельзя ординарно эдак сообщить, рассматривая материал в классическом смысле, владеет он этакого рода качествами либо нет», разговаривает Франк Вилчек, физик из Массачусетского технологического колледжа, нобелевский лауреат 2004 года по физике.

    Содержание

    • 1 Что гораздо за квантовая атмосфера?
    • 2 Зона влияния
    • 3 Недостатки в алмазах
    • 4 Нарушая симметрию

    Что гораздо за квантовая атмосфера?

    Выходит, огромное количество, казалось бы, обыкновенных материалов умеют содержать укромные, однако причудливые и, может быть, полезные характеристики. В не так давно размещенной работе Вилчек и Кин-Донг Чжан, физик из Стокгольмского вуза, предложили новейший метод обследовать этакие характеристики: изучая узкую ауру, которая окружает материал. Они окрестили ее квантовой атмосферой.

    В данной атмосфере могли бы проявиться некие фундаментальные квантовые характеристики материала, кои физики потом могли бы измерить. Ежели это же подтвердится тестами, это же явление не совсем только будет одним из немногих макроскопических проявлений квантовой механики, разговаривает Вилчек, да и станет сильным инвентарем для научные исследования новеньких материалов.

    «Если бы вы спросили меня, может ли чего-нибудть схожее произойти, я бы произнес, что эта мысль и не лишена смысла», разговаривает Тейлор Хьюз, теоретик конденсированного вещества из Вуза Иллинойса в Урбана-Шампейн. И прибавляет: «Предполагаю, что спецэффект будет максимально слабым». В собственном новейшем анализе, но, Чжан и Вилчек высчитали, что в принципе квантовый атмосферный спецэффект будет в границах обнаружимого.

    Наиболее тамошнего, помечает Вилчек, найти этакие спецэффекты, может быть, получится максимально вскоре.

    Зона влияния

    Квантовая атмосфера, поясняет Вилчек, это же узкая зона воздействие вокруг материала. Из квантовой механики следует, что вакуум и не является совсем пустым; он заполнен квантовыми флуктуациями. К примеру, ежели вы возьмете две и не заряженные пластины и расположите них рядом в вакуум, лишь квантовые флуктуации с длиной волны короче чем расстояние меж пластинками сумеют втиснуться меж ними. Однако извне по пластинкам будут попадать флуктуации любых длин волн. Энергия извне будет все больше, чем снутри, что приведет к тамошнему, что совокупная сила будет сдавливать пластины совместно. Это же спецэффект Казимира, и он похож на влияние квантовой атмосферы, разговаривает Вилчек.

    Определенно эдак же, как только пластина чувствует наиболее мощную силу, приближаясь к альтернативный, игловатый зонд будет чувствовать влияние квантовой атмосферы, приближаясь к материалу. «Это как только традиционная атмосфера», разговаривает Вилчек. «Чем поближе вы к ней, тем самым все больше ее воздействие». И природа сего влияния находится в зависимости от квантовых качеств самого материала.

    «Квантовая атмосфера» может распахнуть секреты вещества

    Сурьма может выступать в участия топологического изолятора — материала, который работает как только изолятор всюду за исключением поверхности.

    Эти характеристики умеют быть самыми различными. Некие материалы воздействуют как только отдельные вселенные со собственными физическими законами, как будто присутствуют в мультивселенной материалов. «Очень значимая мысль в современной физике конденсированных сред такая, что в нашем распоряжении существуют материалы — скажем, топологические изоляторы — внутри которых орудует различный комплект правил», разговаривает Питер Армитаж, физик конденсированных сред из Вуза Джона Хопкинса.

    Некие материалы выступают в участия магнитных монополей — точечных магнитов с северным полюсом, однако без южного. Физики а также нашли эдак именуемые квазичастицы с дробным электромагнитным зарядом и квазичастицы, кои выступают в участия своей антиматерии и способны аннигилировать.

    Если б аналогичные экзотичные характеристики существовали у остальных материалов, они могли бы распахнуть себя в квантовых атмосферах. Можно существовало бы распахнуть целый комплект новеньких качеств ординарно зондируя атмосферы материалов, разговаривает Вилчек.

    Дабы показать собственную идею, Чжан и Вилчек сосредоточились на неспецефическом наборе правил — аксионной электродинамике — который может приводить к возникновению оригинальных качеств. Вилчек пришел к данной теории в 1987 году, дабы показать, как только гипотетичная частичка под заглавием аксион могла бы вести взаимодействие с электричеством и магнетизмом. (Прежде физики выдвигали аксион для решения одной из величайших тайн физики: посему взаимодействия с ролью мощной силы остаются прежними, ежели крупицы поменять античастицами и отражать в зеркале, сохраняя симметрию заряда и четности (CP-симметрия). Прежде денька никто и не обнаружил никаких подтверждений существованию аксионов, хотя недавно к ним возник завышенный энтузиазм как только к кандидатам в черную материю.

    Хотя эти руководила и не будут ишачить в большинстве мест во Вселенной, они полностью самому себе появляются снутри материала — этакого как только топологический изолятор. «То, как только электрические поля ведут взаимодействие в этих новеньких субстанциях, топологических изоляторах, это же по большому счету то же самое, как только если б они вели взаимодействие с собранием аксионов», разговаривает Вилчек.

    Недостатки в алмазах

    Ежели этакий материал, как только топологический изолятор, подчиняется законам аксионной электродинамики, его квантовая атмосфера может реагировать на все про все, что ее пересекает. Чжан и Вилчек высчитали, что этакий спецэффект будет подобен проявлению магнитного поля.  А именно, они нашли, что ежели вы расположите конкретную систему атомов либо молекул в атмосферу, них квантово-энергетические уровни поменяются. Ученые умеют измерить изменение этих уровней с применением обычных лабораторных способов. «Это необыкновеная, однако увлекательная идея», разговаривает Армитаж.

    Одна из этаких возможных систем — алмазный зонд с эдак именуемыми азото-замещенными вакансиями (NV-центрами). NV-центр — это же собственного рода недостаток в кристаллической структуре алмаза, когда атом углерода алмаза замещается атомом азота, а уж пространство, закадычное к азоту, останется пустым. Квантовое состояние этакий системы высокочувствительное, что дозволяет NV-центрам ощущать даже самые слабенькие магнитные поля. Это же свойство выполняет них сильными датчиками, кои можно применять для самых различных намерений в геологи и биологии.

    «Это великолепное подтверждение принципа», разговаривает Хьюз. Одним из применений могло бы предстать составление карты качеств материала. Проводя NV-центр сквозь материал вроде топологического изолятора, можно существовало бы обусловить, как только изменяются его характеристики по всей поверхности.

    Работа Чжана и Вилчека, которую они подали в Physical Review Letters, определяет лишь квантовое атмосферное воздействие, приобретенное из аксионной электродинамики. Дабы обусловить, какие гораздо характеристики действуют на атмосферу, разговаривает Вилчек, надо сделать альтернативные расчеты.

    Нарушая симметрию

    В сути, характеристики, кои распахивают квантовые атмосферы, представлены симметриями. Разнообразные фазы вещества, и характеристики, кои им же соответствуют, можно предположить в форме симметрий. В жестком кристалле, к примеру, атомы выстроены в симметрическую сетку, которая двигается либо крутится с образованием схожих кристаллических схем. Когда вы ее нагреваете, взаимосвязи разрушаются, решетчатая структура схлопывается, материал теряет собственную симметрию и становится жидкостью в неком смысле.

    Материалы умеют нарушать альтернативные фундаментальные симметрии, этакие как только симметрия противоположного времени, которую соблюдает большая часть законов физики. Явления умеют иными, ежели отражать них в зеркале, и нарушать симметрию четности.

    Ежели эти симметрии умеют нарушаться в материале, то мы могли бы следить раньше неведомые фазовые переходы и потенциально экзотичные характеристики. Материл с конкретными нарушениями симметрий будет вызывать этакие же нарушения и в зонде, который проходит сквозь квантовую атмосферу, разговаривает Вилчек. К примеру, в веществе, которое следует аксионной термодинамике, нарушены симметрии и времени, и четности, однако в сочетании них — нет. Прикасаясь к атмосфере материала, вы сможете познать, нарушает ли она симметрию и в которой степени.

    «Некоторые материалы будут потаенна нарушать симметрии, об которых мы даже и не знаем и которых и не ожидаем увидеть», разговаривает он. «Они будут казаться неповинными, однако скрывать свои секреты».

    Вилчек разговаривает, что уже обсудил идею с экспериментаторами. Наиболее тамошнего, эти опыты полностью осуществимы, даже не сквозь годы, однако сквозь недельки и месяцы.

    Ежели все удастся, термин «квантовая атмосфера» отыщет регулярное пространство в лексиконе физиков. Ранее Вилчек уже выдумал этакие определения, как только аксионы, анионы (квазичастицы, кои умеют быть полезными для квантовых вычислений) и кристаллы времени. Квантовые атмосферы тоже умеют задержаться.

    Как только думаете? Поведайте в нашем чате в Телеграме.