Under de senaste åren har vissa material blivit bevisliga grunder för fysiker. Dessa material är inte exakt tillverkade av något speciellt - vanliga partiklar, protoner, neutroner och elektroner. Men de är mer än bara summan av deras delar. Dessa material har en hel rad intressanta egenskaper och fenomen, och ibland ledde fysiker till nya ämnen - utöver fast, gasformigt och flytande, som vi känt från barndomen.
En typ av material som fysiker är särskilt oroliga för är den topologiska isolatorn - och mer allmänt de topologiska faserna, vars teoretiska grunder ledde sina uppfinnare till Nobelpriset 2016. På ytan på en topologisk isolator flödar elektroner smidigt, men inuti de står rörliga. Ytan är som en metallledare och insidan är som en keramisk isolator. Topologiska isolatorer har väckt uppmärksamhet för sin ovanliga fysik, såväl som för deras potentiella tillämpningar i kvantdatorer och så kallade spintronic-enheter som använder rotationen av elektroner och deras laddning.
Detta exotiska beteende är inte alltid uppenbart. "Du kan inte bara säga det med tanke på ett material i traditionell mening, oavsett om det har den här typen av egenskaper eller inte," säger Frank Wilczek, en fysiker vid MIT och en Nobelpristagare 2004 i fysik.
Vad är en kvantatmosfär mer?
Det visar sig att många till synes vanliga material kan innehålla dolda, men ovanliga och eventuellt användbara egenskaper. I en nyligen publicerad artikel föreslog Vilchek och Kin-Dong Zhang, en fysiker vid Stockholms universitet, ett nytt sätt att utforska sådana egenskaper: genom att studera den subtila aura som omger materialet. De kallade det kvantatmosfären.
Denna atmosfär kunde avslöja några av de grundläggande kvantegenskaperna hos materialet som fysiker sedan kunde mäta. Om det bekräftas av experiment kommer detta fenomen inte bara att vara en av de få makroskopiska manifestationerna av kvantmekanik, säger Wilchek, men det kommer också att bli ett kraftfullt verktyg för att undersöka nya material.
"Om du frågade mig om något liknande skulle kunna hända skulle jag säga att idén är meningsfull," säger Taylor Hughes, en teoretiker vid kondenserad materia vid University of Illinois i Urbana-Champaign. Och han tillägger: "Jag antar att effekten blir mycket svag." I sin nya analys beräknade Zhang och Wilchek emellertid att i princip kvantatmosfärisk effekt skulle ligga inom det detekterbara intervallet.
Kampanjvideo:
Dessutom, konstaterar Wilchek, kan sådana effekter upptäckas mycket snart.
Påverkningsområdet
Kvantatmosfären, förklarar Wilczek, är en tunn inflytningszon kring ett material. Det följer av kvantmekanik att vakuumet inte är helt tomt; den är fylld med kvantfluktuationer. Om du till exempel tar två oladdade plattor och placerar dem sida vid sida i ett vakuum, kan bara kvantfluktuationer med våglängder som är kortare än avståndet mellan plattorna klämma mellan dem. Men från utsidan kommer fluktuationer i alla våglängder att träffa plattorna. Det kommer att finnas mer energi ute än inuti, vilket gör att den kombinerade kraften pressar samman plattorna. Detta är Casimir-effekten och liknar effekten av kvantatmosfären, säger Wilczek.
Precis som en platta känner av en starkare kraft när den närmar sig en annan, kommer en nålprob att känna effekterna av kvantatmosfären när den närmar sig ett material. "Det är som en normal atmosfär," säger Wilchek. "Ju närmare du är det, desto större är dess inverkan." Och effekten av denna påverkan beror på själva materialets kvantegenskaper.
Antimon kan fungera som en topologisk isolator - material som fungerar som en isolator överallt utom ytan.
Dessa egenskaper kan vara mycket olika. Vissa material fungerar som separata universum med sina egna fysiska lagar, som om de är i materialens mångfald. "En mycket viktig idé inom modern fysik med kondenserad materia är att vi har material till vårt förfogande - säg topologiska isolatorer - inom vilka en annan uppsättning regler fungerar," säger Peter Armitage, en fysik i kondenserad materia vid Johns Hopkins University.
Vissa material fungerar som magnetiska monopolpunktsmagneter med en nordpol men ingen sydpol. Fysiker har också upptäckt de så kallade fraktionella elektriska laddningskvasipartiklarna och kvasipartiklarna, som fungerar som deras egna antimateria och kan förintas.
Om liknande exotiska egenskaper fanns i andra material, kunde de avslöja sig i kvantatmosfärer. En hel mängd nya fastigheter skulle kunna upptäckas helt enkelt genom att undersöka atmosfärerna i material, säger Wilchek.
För att demonstrera sin idé fokuserade Zhang och Wilchek på en ovanlig uppsättning regler - axionelektrodynamik - som kan leda till unika egenskaper. Wilczek anlände till denna teori 1987 för att demonstrera hur en hypotetisk partikel som kallas en axion kunde interagera med elektricitet och magnetism. (Innan detta lägger fysiker fram en axion för att lösa ett av fysikens största mysterier: varför interaktioner med en stark kraft förblir desamma om partiklar ersätts av antipartiklar och reflekteras i en spegel, som bevarar symmetrien för laddning och paritet (CP-symmetri). Fram till den dagen hade ingen hittat någon bekräftelse av förekomsten av axioner, även om det inte så länge sedan har det ökat intresse för dem som kandidater för mörk materia.
Även om dessa regler inte kommer att fungera på de flesta platser i universum, manifesterar de sig ganska inuti ett material - till exempel en topologisk isolator. "Hur elektromagnetiska fält interagerar i dessa nya ämnen, topologiska isolatorer, är i huvudsak detsamma som om de samverkar med en samling axioner," säger Wilczek.
Defekter i diamanter
Om ett material som en topologisk isolator följer lagarna i axiell elektrodynamik, kan dess kvantatmosfär reagera på allt som korsar det. Zhang och Vilchek beräknade att en sådan effekt skulle likna manifestationen av ett magnetfält. I synnerhet fann de att om du sätter ett visst system av atomer eller molekyler i atmosfären förändras deras kvantenerginivåer. Forskare kan mäta förändringen i dessa nivåer med hjälp av standardlaboratoriska metoder. "Det är en ovanlig men intressant idé," säger Armitage.
Ett av dessa potentiella system är en diamantsond med så kallade kvävesubstituerade vakanser (NV-centra). Ett NV-centrum är en slags defekt i kristallstrukturen hos en diamant, när en kolatom i en diamant ersätts av en kväveatom, och en plats nära kväve förblir tom. Kvanttillståndet för ett sådant system är mycket känsligt, vilket gör att NV-centra kan avkänna även de svagaste magnetfälten. Den här egenskapen gör dem till kraftfulla sensorer som kan användas för en mängd olika syften inom geologi och biologi.
Uppsatsen av Zhang och Vilchek, som de lämnade till Physical Review Letters, beskriver endast kvantatmosfäriskt inflytande härrörande från axionisk elektrodynamik. För att bestämma vilka andra egenskaper som påverkar atmosfären, säger Wilchek, måste andra beräkningar göras.
Breaking symmetry
I huvudsak representeras de egenskaper som kvantatmosfärer avslöjar av symmetrier. De olika faserna av ett ämne och egenskaperna som motsvarar dem kan representeras i form av symmetrier. I en fast kristall, till exempel, är atomerna anordnade i ett symmetriskt gitter som förskjuts eller roterar för att bilda identiska kristallmönster. När du värmer upp det bryts bindningarna, gitterstrukturen kollapsar, materialet förlorar sin symmetri och blir flytande i en mening.
Material kan bryta andra grundläggande symmetrier, såsom den ömsesidiga tidssymmetrin, som de flesta fysiklagar följer. Fenomenen kan vara olika om du återspeglar dem i en spegel och bryter paritetssymmetrin.
Om dessa symmetrier kan brytas i materialet kan vi observera tidigare okända fasövergångar och potentiellt exotiska egenskaper. Material med viss symmetribrytning orsakar samma nedbrytning i en sond som passerar genom kvantatmosfären, säger Wilczek. Till exempel, i ett ämne som följer axionisk termodynamik, bryts symmetrier av både tid och paritet, men i kombination är de inte. Genom att beröra materialets atmosfär kan du ta reda på om och i vilken utsträckning det bryter symmetri.
Wilchek säger att han redan har diskuterat idén med experimenterna. Dessutom är dessa experiment ganska genomförbara, inte ens i år, men i veckor och månader.
Om allt fungerar kommer termen "kvantatmosfär" att hitta en permanent plats i fysikernas lexikon. Tidigare hade Wilczek redan myntade termer som axioner, anjoner (kvasipartiklar som kan vara användbara för kvantberäkning) och tidskristaller. Kvantatmosfärer kan också dröja.
Ilya Khel
