«Квантовая атмосфера» может раскрыть секреты вещества
За последние несколько лет некоторые материалы стали полигонами для физиков. Эти материалы не то чтобы сделаны из чего-то особенного — обычные частицы, протоны, нейтроны и электроны. Но они больше, чем просто сумма их частей. Эти материалы имеют целый набор любопытных свойств и явлений, а иногда даже приводили физиков к новым состояниям материи — помимо твердого, газообразного и жидкого, которые мы знаем с детства.
Один из видов материала, который особенно волнует физиков, это топологический изолятор — и, более широко, топологические фазы, теоретические основы которых привели их изобретателей к Нобелевской премии в 2016 году. На поверхности топологического изолятора электроны текут плавно, а внутри стоят неподвижно. Поверхность как у металлического проводника, а внутренность — как у керамического изолятора. Топологические изоляторы привлекли внимание за свою необычную физику, равно как и за потенциальное применение в квантовых компьютерах и так называемых спинтронных устройствах, которые используют спин электронов и их заряд.
Такое экзотическое поведение не всегда очевидно. «Нельзя просто так сказать, рассматривая материал в традиционном смысле, обладает он такого рода свойствами или нет», говорит Франк Вилчек, физик из Массачусетского технологического института, нобелевский лауреат 2004 года по физике.
Что еще за квантовая атмосфера?
Получается, множество, казалось бы, обычных материалов могут содержать скрытые, но необычные и, возможно, полезные свойства. В недавно опубликованной работе Вилчек и Кин-Донг Чжан, физик из Стокгольмского университета, предложили новый способ исследовать такие свойства: изучая тонкую ауру, которая окружает материал. Они назвали ее квантовой атмосферой.
В этой атмосфере могли бы проявиться некоторые фундаментальные квантовые свойства материала, которые физики затем могли бы измерить. Если это подтвердится экспериментами, это явление не только будет одним из немногих макроскопических проявлений квантовой механики, говорит Вилчек, но и станет мощным инструментом для исследования новых материалов.
«Если бы вы спросили меня, может ли что-нибудь подобное произойти, я бы сказал, что эта идея не лишена смысла», говорит Тейлор Хьюз, теоретик конденсированного вещества из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. И добавляет: «Предполагаю, что эффект будет очень слабым». В своем новом анализе, однако, Чжан и Вилчек рассчитали, что в принципе квантовый атмосферный эффект будет в пределах обнаружимого.
Более того, отмечает Вилчек, обнаружить такие эффекты, возможно, удастся очень скоро.
Зона воздействия
Квантовая атмосфера, объясняет Вилчек, это тонкая зона влияние вокруг материала. Из квантовой механики следует, что вакуум не является совершенно пустым; он наполнен квантовыми флуктуациями. Например, если вы возьмете две не заряженные пластинки и поместите их рядом в вакуум, только квантовые флуктуации с длиной волны короче чем расстояние между пластинками смогут втиснуться между ними. Но снаружи по пластинкам будут попадать флуктуации всех длин волн. Энергия снаружи будет больше, чем внутри, что приведет к тому, что совокупная сила будет сдавливать пластинки вместе. Это эффект Казимира, и он похож на воздействие квантовой атмосферы, говорит Вилчек.
Точно так же, как пластинка ощущает более сильную силу, приближаясь к другой, игольчатый зонд будет ощущать воздействие квантовой атмосферы, приближаясь к материалу. «Это как обычная атмосфера», говорит Вилчек. «Чем ближе вы к ней, тем больше ее воздействие». И природа этого воздействия зависит от квантовых свойств самого материала.
Сурьма может выступать в роли топологического изолятора — материала, который функционирует как изолятор везде кроме поверхности.
Эти свойства могут быть самыми разными. Некоторые материалы действуют как отдельные вселенные со своими физическими законами, словно находятся в мультивселенной материалов. «Очень важная идея в современной физике конденсированных сред такова, что в нашем распоряжении есть материалы — скажем, топологические изоляторы — внутри которых действует разный набор правил», говорит Питер Армитаж, физик конденсированных сред из Университета Джона Хопкинса.
Некоторые материалы выступают в роли магнитных монополей — точечных магнитов с северным полюсом, но без южного. Физики также обнаружили так называемые квазичастицы с дробным электрическим зарядом и квазичастицы, которые выступают в роли собственной антиматерии и способны аннигилировать.
Если бы подобные экзотические свойства существовали у других материалов, они могли бы раскрыть себя в квантовых атмосферах. Можно было бы раскрыть целый набор новых свойств просто зондируя атмосферы материалов, говорит Вилчек.
Чтобы продемонстрировать свою идею, Чжан и Вилчек сосредоточились на необычном наборе правил — аксионной электродинамике — который может приводить к появлению уникальных свойств. Вилчек пришел к этой теории в 1987 году, чтобы продемонстрировать, как гипотетическая частица под названием аксион могла бы взаимодействовать с электричеством и магнетизмом. (До этого физики выдвигали аксион для решения одной из величайших загадок физики: почему взаимодействия с участием сильной силы остаются прежними, если частицы заменить античастицами и отражать в зеркале, сохраняя симметрию заряда и четности (CP-симметрия). До этого дня никто не нашел никаких подтверждений существованию аксионов, хотя не так давно к ним появился повышенный интерес как к кандидатам в темную материю.
Хотя эти правила не будут работать в большинстве мест во Вселенной, они вполне себе проявляются внутри материала — такого как топологический изолятор. «То, как электромагнитные поля взаимодействуют в этих новых веществах, топологических изоляторах, это по сути то же самое, как если бы они взаимодействовали с собранием аксионов», говорит Вилчек.
Дефекты в алмазах
Если такой материал, как топологический изолятор, подчиняется законам аксионной электродинамики, его квантовая атмосфера может реагировать на все, что ее пересекает. Чжан и Вилчек рассчитали, что такой эффект будет подобен проявлению магнитного поля. В частности, они обнаружили, что если вы поместите определенную систему атомов или молекул в атмосферу, их квантово-энергетические уровни изменятся. Ученые могут измерить изменение этих уровней с применением стандартных лабораторных методов. «Это необычная, но интересная идея», говорит Армитаж.
Одна из таких потенциальных систем — алмазный зонд с так называемыми азото-замещенными вакансиями (NV-центрами). NV-центр — это своего рода дефект в кристаллической структуре алмаза, когда атом углерода алмаза замещается атомом азота, а место, близкое к азоту, остается пустым. Квантовое состояние такой системы высокочувствительное, что позволяет NV-центрам чувствовать даже самые слабые магнитные поля. Это свойство делает их мощными датчиками, которые можно использовать для самых разных целей в геологи и биологии.
«Это прекрасное доказательство принципа», говорит Хьюз. Одним из применений могло бы стать составление карты свойств материала. Проводя NV-центр через материал вроде топологического изолятора, можно было бы определить, как меняются его свойства по всей поверхности.
Работа Чжана и Вилчека, которую они подали в Physical Review Letters, описывает только квантовое атмосферное влияние, полученное из аксионной электродинамики. Чтобы определить, какие еще свойства воздействуют на атмосферу, говорит Вилчек, нужно проделать другие расчеты.
Нарушая симметрию
В сущности, свойства, которые раскрывают квантовые атмосферы, представлены симметриями. Различные фазы вещества, и свойства, которые им соответствуют, можно представить в форме симметрий. В твердом кристалле, например, атомы выстроены в симметрическую решетку, которая сдвигается или вращается с образованием идентичных кристаллических схем. Когда вы ее нагреваете, связи разрушаются, решетчатая структура схлопывается, материал теряет свою симметрию и становится жидкостью в некотором смысле.
Материалы могут нарушать другие фундаментальные симметрии, такие как симметрия обратного времени, которую соблюдает большинство законов физики. Явления могут другими, если отражать их в зеркале, и нарушать симметрию четности.
Если эти симметрии могут нарушаться в материале, то мы могли бы наблюдать ранее неизвестные фазовые переходы и потенциально экзотические свойства. Материл с определенными нарушениями симметрий будет вызывать такие же нарушения и в зонде, который проходит через квантовую атмосферу, говорит Вилчек. Например, в веществе, которое следует аксионной термодинамике, нарушены симметрии и времени, и четности, но в сочетании их — нет. Прикасаясь к атмосфере материала, вы можете узнать, нарушает ли она симметрию и в какой степени.
«Некоторые материалы будут тайна нарушать симметрии, о которых мы даже не знаем и которых не ожидаем увидеть», говорит он. «Они будут казаться невинными, но скрывать свои секреты».
Вилчек говорит, что уже обсудил идею с экспериментаторами. Более того, эти эксперименты вполне осуществимы, даже и не через годы, но через недели и месяцы.
Если все получится, термин «квантовая атмосфера» найдет постоянное место в лексиконе физиков. Раньше Вилчек уже придумал такие термины, как аксионы, анионы (квазичастицы, которые могут быть полезными для квантовых вычислений) и кристаллы времени. Квантовые атмосферы тоже могут задержаться.