Během několika posledních let se některé materiály staly pro fyziky důkazem. Tyto materiály nejsou přesně vyrobeny z něčeho zvláštního - obyčejné částice, protony, neutrony a elektrony. Ale jsou víc než jen součet jejich částí. Tyto materiály mají celou řadu zajímavých vlastností a jevů a někdy vedly fyziky k novým stavům hmoty - kromě pevných, plynných a kapalných, které známe od dětství.
Fyzikům se obzvlášť obává jeden z materiálů, které se obávají topologického izolátoru - a obecněji topologických fází, jejichž teoretické základy vedly jejich vynálezce k Nobelově ceně v roce 2016. Na povrchu topologického izolátoru proudí elektrony hladce, ale uvnitř stojí nehybně. Povrch je jako kovový vodič a uvnitř je jako keramický izolátor. Topologické izolátory přitahují pozornost jak pro svou mimořádnou fyziku, tak pro své potenciální aplikace v kvantových počítačích a takzvaných spintronických zařízeních, která využívají spin elektronů a jejich náboj.
Toto exotické chování není vždy zřejmé. "Nemůžete to jen říct, když vezmete v úvahu materiál v tradičním smyslu, ať už má tento druh vlastností nebo ne," říká Frank Wilczek, fyzik na Massachusetts Institute of Technology a laureát Nobelovy ceny za fyziku v roce 2004.
Co jiného je kvantová atmosféra?
Ukazuje se, že mnoho zdánlivě běžných materiálů může obsahovat skryté, ale neobvyklé a případně užitečné vlastnosti. Wilchek a Kin-Dong Zhang, fyzik z Stockholmské univerzity, v nedávno publikovaném článku navrhli nový způsob, jak prozkoumat takové vlastnosti: studováním jemné aury, která obklopuje materiál. Říkali tomu kvantová atmosféra.
Tato atmosféra by mohla odhalit některé základní kvantové vlastnosti materiálu, které by fyzici mohli změřit. Pokud bude experimenty potvrzeny, nebude tento jev jen jedním z mála makroskopických projevů kvantové mechaniky, říká Wilczek, ale stane se také mocným nástrojem pro výzkum nových materiálů.
"Pokud byste se mě zeptali, jestli by se něco takového mohlo stát, řekl bych, že myšlenka má smysl," říká Taylor Hughes, teoretik kondenzované hmoty na University of Illinois v Urbana-Champaign. A dodává: „Myslím, že účinek bude velmi slabý.“Ve své nové analýze však Zhang a Vilchek vypočítali, že v zásadě by kvantový atmosférický efekt byl v detekovatelném rozmezí.
Propagační video:
Wilchek navíc poznamenává, že takové účinky mohou být odhaleny velmi brzy.
Oblast dopadu
Kvantová atmosféra, vysvětluje Wilczek, je tenká zóna vlivu kolem materiálu. Z kvantové mechaniky vyplývá, že vakuum není úplně prázdné; je plná kvantových výkyvů. Pokud například vezmete dvě nenabité desky a umístíte je vedle sebe ve vakuu, mohou mezi nimi vymačkat pouze kvantové fluktuace s vlnovými délkami kratšími, než je vzdálenost mezi deskami. Ale zvenčí padají na desky kolísání všech vlnových délek. Venku bude více energie než uvnitř, což způsobí, že kombinovaná síla stlačí desky dohromady. Toto je Casimirův efekt a je podobný účinku kvantové atmosféry, říká Wilczek.
Stejně jako talíř snímá silnější sílu, když se přiblíží k jiné, bude jehla sonda cítit účinek kvantové atmosféry, když se blíží k materiálu. "Je to jako normální atmosféra," říká Wilchek. "Čím blíže jste k tomu, tím větší je jeho dopad." A povaha tohoto dopadu závisí na kvantových vlastnostech samotného materiálu.
Antimon může působit jako topologický izolátor - materiál, který funguje jako izolátor všude kromě povrchu.
Tyto vlastnosti se mohou velmi lišit. Některé materiály fungují jako oddělené vesmíry se svými vlastními fyzickými zákony, jako by byly v mnoha materiálech. "Velmi důležitý nápad v moderní fyzice kondenzovaných látek je, že máme k dispozici materiály - řekněme topologické izolátory -, v nichž existují různá pravidla," říká Peter Armitage, fyzik kondenzovaných látek na Johns Hopkins University.
Některé materiály fungují jako magnetické monopoly - bodové magnety se severním pólem, ale bez jižního pólu. Fyzici také objevili takzvané frakční kvazičástice s elektrickým nábojem a kvazičástice, které fungují jako jejich vlastní antihmota a mohou zničit.
Pokud by podobné exotické vlastnosti existovaly v jiných materiálech, mohly by se odhalit v kvantové atmosféře. Celá řada nových vlastností by mohla být odhalena pouhým prozkoumáním atmosfér materiálů, říká Wilchek.
Aby demonstrovali svou myšlenku, zaměřili se Zhang a Wilchek na neobvyklý soubor pravidel - axionovou elektrodynamiku - který může vést k jedinečným vlastnostem. Wilchek přišel s touto teorií v roce 1987, aby ukázal, jak hypotetická částice zvaná axion může interagovat s elektřinou a magnetismem. (Před tím fyzici předložili axii, aby vyřešili jednu z největších záhad fyziky: proč interakce zahrnující silnou sílu zůstávají stejné, pokud jsou částice nahrazeny antičásticemi a zrcadleny v zrcadle, zachovávajíc symetrii náboje a parity (symetrie CP)). Potvrzení o existenci axionů, i když není to tak dávno, je o ně zájem o kandidáty na temnou hmotu.
I když tato pravidla nebudou fungovat na většině míst ve vesmíru, zcela se projeví uvnitř materiálu - například topologického izolátoru. "Způsob, jakým elektromagnetické pole interaguje v těchto nových látkách, topologické izolátory, je v podstatě stejný, jako kdyby interagoval se sbírkou axionů," říká Wilczek.
Vady diamantů
Pokud se materiál, jako je topologický izolátor, řídí zákony axiální elektrodynamiky, může jeho kvantová atmosféra reagovat na cokoli, co jej prochází. Zhang a Vilchek počítali, že takový účinek by byl podobný projevu magnetického pole. Zjistili zejména, že pokud do atmosféry vložíte určitý systém atomů nebo molekul, změní se jejich kvantová hladina energie. Vědci mohou změřit změnu těchto hladin pomocí standardních laboratorních metod. "Je to neobvyklý, ale zajímavý nápad," říká Armitage.
Jedním z těchto potenciálních systémů je diamantová sonda s tzv. Dusíkem substituovanými volnými místy (NV centra). Centrum NV je druh defektu v krystalové struktuře diamantu, když je atom uhlíku diamantu nahrazen atomem dusíku a místo v blízkosti dusíku zůstává prázdné. Kvantový stav takového systému je vysoce citlivý, což umožňuje centrům NV snímat i ta nejslabší magnetická pole. Tato vlastnost z nich dělá výkonné senzory, které lze použít pro širokou škálu účelů v geologii a biologii.
Článek Zhanga a Vilchka, který předložili dopisům Physical Review Letters, popisuje pouze kvantový atmosférický vliv odvozený od axionické elektrodynamiky. Wilchek říká, že k určení toho, jaké další vlastnosti ovlivňují atmosféru, je třeba provést další výpočty.
Rozbití symetrie
Vlastnosti, které kvantová atmosféra odhaluje, jsou v podstatě reprezentovány symetriemi. Různé fáze látky a vlastnosti, které jim odpovídají, mohou být reprezentovány ve formě symetrie. Například v pevném krystalu jsou atomy uspořádány v symetrické mřížce, která se posune nebo otáčí, aby vytvořila identické krystalové vzory. Když ji zahřejete, vazby se rozbijí, struktura mříže se zhroutí, materiál ztratí svou symetrii a v určitém smyslu se stane tekutinou.
Materiály mohou rozbít jiné základní symetrie, jako je reciproční časová symetrie, kterou většina zákonů fyziky dodržuje. Jevy se mohou lišit, pokud je odrážíte v zrcadle a porušujete paritní symetrii.
Pokud lze tyto symetrie v materiálu rozbít, mohli bychom pozorovat dříve neznámé fázové přechody a potenciálně exotické vlastnosti. Materiál s jistým narušením symetrie způsobí stejné zhroucení v sondě, která prochází kvantovou atmosférou, říká Wilczek. Například v látce, která sleduje axionickou termodynamiku, jsou porušeny symetrie času i parity, ale v kombinaci nejsou. Dotknutím se atmosféry materiálu zjistíte, zda a do jaké míry narušuje symetrii.
Wilchek říká, že tento nápad již diskutoval s experimentátory. Navíc, tyto experimenty jsou docela proveditelné, dokonce ne v letech, ale v týdnech a měsících.
Pokud se vše podaří, pojem „kvantová atmosféra“najde v lexikonu fyziků trvalé místo. Wilczek dříve razil pojmy jako axiony, anionty (kvazičástice, které mohou být užitečné pro kvantové výpočty) a časové krystaly. Kvantová atmosféra může také vydržet.
Ilya Khel