V posledných niekoľkých rokoch sa niektoré materiály stali pre fyzikov dôkazom. Tieto materiály nie sú presne vyrobené z ničoho zvláštneho - obyčajné častice, protóny, neutróny a elektróny. Sú však viac ako len súčtom ich častí. Tieto materiály majú celý rad zaujímavých vlastností a javov a niekedy viedli fyzikov k novým stavom hmoty - popri pevných, plynných a tekutých látkach, ktoré poznáme už od detstva.
Jedným z druhov materiálov, ktorým sa fyzici obzvlášť obávajú, je topologický izolátor - a všeobecnejšie topologické fázy, ktorých teoretické základy viedli svojich vynálezcov k Nobelovej cene v roku 2016. Na povrchu topologického izolátora elektróny prúdia hladko, ale vo vnútri stoja nehybne. Povrch je ako kovový vodič a vnútro je ako keramický izolátor. Topologické izolátory priťahujú pozornosť tak pre svoju mimoriadnu fyziku, ako aj pre ich potenciálne aplikácie v kvantových počítačoch a takzvaných spintronických zariadeniach, ktoré využívajú spin elektrónov a ich náboj.
Toto exotické správanie nie je vždy zrejmé. „Nemôžete to len povedať, keď sa pozriete na materiál v tradičnom slova zmysle, či už má alebo nemá tento druh vlastností,“hovorí Frank Wilczek, fyzik z Massachusetts Institute of Technology a laureát Nobelovej ceny za fyziku v roku 2004.
Čo ešte je kvantová atmosféra?
Ukazuje sa, že veľa zdanlivo bežných materiálov môže obsahovať skryté, ale nezvyčajné a prípadne užitočné vlastnosti. Wilchek a Kin-Dong Zhang, fyzik z Stockholmskej univerzity, v nedávno uverejnenom dokumente navrhli nový spôsob skúmania takýchto vlastností: študovaním jemnej aury, ktorá obklopuje materiál. Nazvali to kvantovou atmosférou.
Táto atmosféra by mohla odhaliť niektoré základné kvantové vlastnosti materiálu, ktoré potom mohli fyzici zmerať. Ak bude experimentom potvrdený, tento jav nebude len jedným z mála makroskopických prejavov kvantovej mechaniky, hovorí Wilczek, ale stane sa aj mocným nástrojom na výskum nových materiálov.
„Ak by ste sa ma spýtali, či by sa niečo také mohlo stať, povedal by som, že táto myšlienka má zmysel,“hovorí Taylor Hughes, teoretik kondenzovanej hmoty na University of Illinois v Urbana-Champaign. A dodáva: „Myslím, že efekt bude veľmi slabý.“Vo svojej novej analýze však Zhang a Vilchek vypočítali, že v zásade by kvantový atmosférický efekt bol v detekovateľnom rozsahu.
Propagačné video:
Wilchek okrem toho poznamenáva, že takéto účinky sa môžu zistiť veľmi skoro.
Oblasť dopadu
Kvantová atmosféra, vysvetľuje Wilczek, je tenkou zónou vplyvu okolo materiálu. Z kvantovej mechaniky vyplýva, že vákuum nie je úplne prázdne; je plná kvantových výkyvov. Napríklad, ak vezmete dve nenabité platne a umiestnite ich vedľa seba do vákua, medzi nimi sa môžu vytlačiť iba kvantové fluktuácie s vlnovými dĺžkami kratšími, ako je vzdialenosť medzi platňami. Z vonkajšej strany však na platne padnú fluktuácie všetkých vlnových dĺžok. Vonku bude viac energie ako vo vnútri, čo spôsobí, že kombinovaná sila stlačí dosky dohromady. Toto je Casimirov efekt a je podobný účinku kvantovej atmosféry, hovorí Wilczek.
Rovnako ako doska sníma silnejšiu silu, keď sa priblíži k inej, ihlová sonda pocíti účinok kvantovej atmosféry, keď sa priblíži k materiálu. "Je to ako normálna atmosféra," hovorí Wilchek. „Čím bližšie ste k nemu, tým väčší je jeho dopad.“A povaha tohto vplyvu závisí od kvantových vlastností samotného materiálu.
Antimón môže pôsobiť ako topologický izolátor - materiál, ktorý funguje ako izolátor všade okrem povrchu.
Tieto vlastnosti sa môžu veľmi líšiť. Niektoré materiály fungujú ako samostatné vesmíry s vlastnými fyzikálnymi zákonmi, akoby boli v mnohorakom materiáli. „Veľmi dôležitá myšlienka v modernej fyzike kondenzovaných látok je, že máme k dispozícii materiály - povedzme topologické izolátory - v rámci ktorých existujú rôzne súbory pravidiel,“hovorí Peter Armitage, fyzik kondenzovanej hmoty na Johns Hopkins University.
Niektoré materiály pôsobia ako magnetické monopoly - bodové magnety so severným pólom, ale bez južného pólu. Fyzici tiež objavili tzv. Frakčné kvasipartily s elektrickým nábojom a kvasipartikuly, ktoré pôsobia ako svoj vlastný antihmota a môžu zničiť.
Ak by podobné exotické vlastnosti existovali aj v iných materiáloch, mohli by sa odhaliť v kvantovej atmosfére. Wilchek hovorí, že celý rad nových vlastností by sa mohol odhaliť jednoducho skúmaním atmosféry materiálov.
Aby demonštrovali svoju myšlienku, Zhang a Wilchek sa zamerali na neobvyklý súbor pravidiel - elektrónovej elektródy axiónov -, ktoré môžu viesť k jedinečným vlastnostiam. Wilchek prišiel s touto teóriou v roku 1987, aby ukázal, ako hypotetická častica nazývaná axión môže interagovať s elektrinou a magnetizmom. (Pred tým fyzici navrhli axion na vyriešenie jednej z najväčších záhad fyziky: prečo interakcie zahŕňajúce silnú silu zostávajú rovnaké, ak sú častice nahradené antičasticami a odrážajú sa v zrkadle, pričom sa zachovala symetria náboja a parity (CP-symetria). Až do tohto dňa nikto nenašiel žiadne Potvrdenie o existencii axiónov sa síce ešte zvýšilo o kandidátov na temnú hmotu.
Aj keď tieto pravidlá nebudú fungovať na väčšine miest vo vesmíre, celkom sa prejavia vo vnútri materiálu - napríklad v topologickom izolátore. „Spôsob, akým elektromagnetické polia interagujú v týchto nových látkach, topologické izolátory, je v podstate rovnaký, ako keby interagoval so zbierkou axiónov,“hovorí Wilczek.
Poruchy diamantov
Ak sa materiál, napríklad topologický izolátor, riadi zákonmi axiálnej elektrodynamiky, jeho kvantová atmosféra môže reagovať na všetko, čo ho prechádza. Zhang a Vilchek vypočítali, že takýto účinok by bol podobný prejavu magnetického poľa. Zistili najmä, že ak do atmosféry vložíte konkrétny systém atómov alebo molekúl, ich kvantová úroveň energie sa zmení. Vedci môžu merať zmenu týchto hladín pomocou štandardných laboratórnych metód. „Je to nezvyčajný, ale zaujímavý nápad,“hovorí Armitage.
Jedným z týchto potenciálnych systémov je diamantová sonda s tzv. Dusíkom substituovanými miestami (centrá NV). Centrum NV je druh defektu v kryštalickej štruktúre diamantu, keď je atóm uhlíka diamantu nahradený atómom dusíka a miesto v blízkosti dusíka zostáva prázdne. Kvantový stav takéhoto systému je vysoko citlivý, čo umožňuje centrám NV snímať aj tie najslabšie magnetické polia. Táto vlastnosť z nich robí výkonné senzory, ktoré sa dajú použiť na rôzne účely v geológii a biológii.
V publikácii Zhanga a Vilcheka, ktorú predložili spoločnosti Physical Review Letters, sa opisuje iba kvantový atmosférický vplyv odvodený od axionickej elektrodynamiky. Wilchek hovorí, že na určenie toho, aké ďalšie vlastnosti ovplyvňujú atmosféru, je potrebné vykonať ďalšie výpočty.
Prelomená symetria
Vlastnosti, ktoré kvantová atmosféra odhaľuje, sú v podstate reprezentované symetriou. Rôzne fázy látky a vlastnosti, ktoré im zodpovedajú, môžu byť zastúpené vo forme symetrie. Napríklad v tuhých kryštáloch sú atómy usporiadané v symetrickej mriežke, ktorá sa posúva alebo otáča za vzniku rovnakých kryštalických vzorov. Keď sa zahreje, väzby sa zlomia, štruktúra mriežky sa zrúti, materiál stráca svoju symetriu a v určitom zmysle sa stáva tekutým.
Materiály môžu zlomiť ďalšie základné symetrie, ako je recipročná symetria času, ktorú väčšina zákonov fyziky dodržiava. Fenomény sa môžu líšiť, ak ich odrážate v zrkadle a narušíte paritnú symetriu.
Ak sa tieto symetrie môžu zlomiť v materiáli, mohli by sme pozorovať predtým neznáme fázové prechody a potenciálne exotické vlastnosti. Materiál s určitým narušením symetrie spôsobí rovnaké poškodenie v sonde, ktorá prechádza kvantovou atmosférou, hovorí Wilczek. Napríklad v látke, ktorá sleduje axionickú termodynamiku, sú porušené symetrie času a parity, ale v kombinácii nie sú. Dotknutím sa atmosféry materiálu zistíte, či a do akej miery narušuje symetriu.
Wilchek hovorí, že tento nápad už diskutoval s experimentátormi. Okrem toho sú tieto experimenty celkom uskutočniteľné, dokonca nie v rokoch, ale v týždňoch a mesiacoch.
Ak všetko vyjde, termín „kvantová atmosféra“nájde trvalé miesto v lexikóne fyzikov. Wilczek predtým razil výrazy, ako sú axióny, anióny (kvasičastice, ktoré môžu byť užitočné pre kvantové výpočty) a časové kryštály. Kvantová atmosféra môže tiež vydržať.
Ilja Khel