Sunday, October 2office@prosveshtenieto.com

Какво е това “Квантова атмосфера”



През последните няколко години някои материали се превърнали в доказателство за физиците. Тези материали не били направени от нещо специално, а от обикновени частици, протони, неутрони и електрони. Тези материали притежавали цял ​​набор от интересни свойства и явления, а понякога дори водели физиците до нови състояния на материята – в допълнение към твърди, газообразни и течни състояния, които познаваме от детството.

Напоследък физиците особено се интересували от новия вид материал, а именно от топологичният изолатор. По повърхността на топологичният изолатор електроните текат плавно, но вътре стоят неподвижно. Повърхността е като метален проводник, а отвътре е като керамичен изолатор. Топологичните изолатори са привлекли вниманието за своята необичайна физика, както и за потенциалните си приложения в квантовите компютри, които използват спина на електроните и техния заряд.

Това екзотично поведение не винаги е очевидно. „Не можете просто да кажете това, като се има предвид материал в традиционния смисъл, независимо дали има такива свойства или не“, казва Франк Уилчек, физик от Масачузетския технологичен институт и Нобелов лауреат по физика за 2004 г.

Какво представлява квантовата атмосфера?

Оказва се, че много привидно обикновените материали могат да съдържат скрити, но необичайни и евентуално полезни свойства. В наскоро публикувана статия, Vilchek и Kin-Dong Zhang, физик от Стокхолмския университет, предложили нов начин за изследване на такива свойства, а именно чрез изучаването на фината аура, която заобикаля материала. Това свое изследване те го нарекли “квантова атмосфера“.

Какво е това "Квантова атмосфера"

Тази атмосфера можела да разкрие някои от основните квантови свойства на материала, които физиците измервали след това. Ако бъде потвърдено от експериментите, това явление не само ще бъде една от малкото макроскопични прояви на квантовата механика, казва Вилчек, но също така ще се превърне и в мощен инструмент за изследването на новите материали.

Ако ме попитате дали може да се случи нещо подобно, бих казал, че идеята има смисъл“, казва Тейлър Хюз, теоретик на кондензираната материя от Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн. Той добавя още: “Предполагам, че ефектът ще бъде много слаб.” В новия си анализ обаче Джанг и Вилчек изчисляват, че по принцип квантовият атмосферен ефект ще бъде в рамките на откриваемия диапазон.

Освен това, отбелязва Вилчек, може да бъде възможно да се открият подобни ефекти много скоро.

Област на въздействие

Квантовата атмосфера, обяснява Вилчек, е тънка зона на влияние около материала. От квантовата механика следва, че вакуумът не е напълно празен, а изпълнен с квантови колебания. Например, ако вземете две незаредени плочи и ги поставите една до друга във вакуум, между тях могат да се регистрират само квантови колебания с дължини на вълните, по-къси от разстоянието между плочите. Но отвън колебанията на всички дължини на вълните ще падат върху плочите. Енергията отвън ще бъде по-голяма, отколкото отвътре, което ще накара комбинираната сила да притисне плочите заедно. Това е ефектът на Казимир и е подобен на ефекта на квантовата атмосфера, казва Вилчек.

Точно както плочата усеща по-силната сила, когато се приближава до другата, така и иглената сонда ще усети ефектите на квантовата атмосфера, когато се приближи до материала. „Това е като нормална атмосфера“, казва Вилчек. “Колкото по-близо сте до него, толкова по-голямо е въздействието му.” Естеството на това въздействие зависи от квантовите свойства на самия материал.

Тези свойства могат да бъдат много различни. Някои материали действат като отделни вселени със собствените си физически закони, сякаш са в мултивселената на материалите. „Много важна идея в съвременната физика на кондензираната материя е, че разполагаме с материали – да речем, топологични изолатори – в които има различни набори от правила“, казва Питър Армитаж, физик на кондензираната материя от университета „Джон Хопкинс“.

Някои материали действат като магнитни монополи или по точно казано точкови магнити със северен полюс, но без южен полюс. Физиците са открили също така наречените частични електрически заряди – квазичастици, които действат като собствена антиматерия и са способни да се унищожат.

Какво е това "Квантова атмосфера"

Ако подобни екзотични свойства съществуват и в други материали, то те могат да разкрият за квантовите атмосфери, цял куп нови свойства, казва Вилчек.

За да демонстрират идеята си, Джанг и Вилчек се фокусирали върху необичаен набор от правила – аксионна електродинамика, която може да доведе до уникални свойства. Уилчек излезнал с тази теория още през 1987 г., за да демонстрира, как една хипотетична частица, наречена аксион, може да си взаимодейства с електричеството и магнетизма. (Преди това физиците изтъкват аксион, за да разрешат една от най-големите загадки на физиката, а именно защо взаимодействията, включващи сила, остават същите, ако частиците се заменят с античастици и се отразяват в огледало, запазвайки симетрията на заряда и паритета CP-симетрията).

Въпреки че тези правила няма да работят на повечето места във Вселената. „Начинът, по който електромагнитните полета си взаимодействат в тези нови вещества, (топологичните изолатори) е по същество същият, както ако взаимодействат с колекцията от аксиони“, казва Вилчек.

Дефекти в диамантите

Ако материал като топологичен изолатор се подчинява на законите на аксиалната електродинамика, неговата квантова атмосфера може да реагира на всичко, което го пресича. Джанг и Вилчек изчисляват, че подобен ефект ще бъде подобен на проявата на магнитното поле. По-специално, те открили, че ако поставите определена система от атоми или молекули в атмосферата, техните квантови енергийни нива се променят. Учените могат да измерват промяната в тези нива, използвайки стандартните лабораторни методи. „Това е необичайна, но интересна идея“, казва Armitage.

Една от тези потенциални системи е диамантена сонда с така наречените азотни (NV центрове). НВ центърът е вид дефект в кристалната структура на диаманта, когато въглеродният атом на диаманта е заменен от азотен атом, а място близо до азота остава празно. Квантовото състояние на такава система е силно чувствително, което позволява на NV центровете да усещат и най-слабите магнитни полета. Това свойство ги прави мощни сензори, които могат да се използват за най-различните цели в геологията и биологията.

Това е страхотно принципно доказателство“, казва Хюз. Едно приложение би било да се картографират свойствата на материала. Чрез преминаване на NV център през материал като топологичен изолатор може да се определи, как неговите свойства се променят по цялата повърхност.

Документът от Zhang и Vilchek, който те подават в Physical Review Letters, описва само квантовото атмосферно влияние, получено от аксионната електродинамика. За да се определи, какви други свойства влияят на атмосферата, казва Вилчек, трябва да се направят други изчисления.

Какво е това "Квантова атмосфера"

Нарушаване на симетрията

По същество свойствата, които разкриват квантовите атмосфери, са представени от симетрии. Различните фази на веществото и свойствата, които им съответстват, могат да бъдат представени под формата на симетрии. Например в твърдия кристал атомите са подредени в симетрична решетка, която се измества или върти, за да образува еднакви кристални модели. Когато го загреете, връзките се скъсват, структурата на решетката се срутва, а материалът губи симетрията си и става течен в известен смисъл.

Материалите могат да нарушат други основни симетрии, като реципрочната симетрия на времето, на която се подчиняват повечето закони на физиката. Явленията могат да бъдат различни, ако ги отразявате в огледало и нарушавате симетрията на паритета.

Ако тези симетрии могат да бъдат нарушени в материала, тогава бихме могли да наблюдаваме неизвестни досега фазови преходи и потенциално екзотични свойства. Материалът с определени разбивки на симетрията ще доведе до подобни сривове в сондата, която пътува през квантовата атмосфера, казва Вилчек. Например във вещество, което следва аксионната термодинамика, симетриите както на времето, така и на паритета са нарушени, но в комбинация не са. Докосвайки атмосферата на даден материал, можете да разберете дали той нарушава симетрията и до каква степен.

Някои материали тайно ще нарушат симетриите, за които дори не знаем и не очакваме да ги видим“, казва той. “Те ще изглеждат невинни, но крият своите тайни.

Вилчек казва, че вече е обсъдил идеята с експериментаторите. Освен това тези експерименти са напълно осъществими, като тук говорим не за години, а за седмици или месеци.

Ако всичко се получи, терминът „квантова атмосфера“ ще намери постоянно място в речника на физиците. По-рано Уилчек вече е измислил термини като аксиони, аниони (квазичастици, които могат да бъдат полезни за квантовите изчисления) и времеви кристали. Квантовата атмосфера също може да се задържи.

Благодарим Ви, че прочетохте тази статия. Просвещението няма за цел да промени вашата гледна точка. Дали ще повярвате на тази статия или не, това е ваш избор! Не забравяйте да ни последвате в социалните мрежи!

Просвещението ©

Внимание! Всяко пълно или частично копиране на материали на Просвещението без писмено разрешение и директен линк към оригиналната публикация на Просвещението, включително от други електронни ресурси, ще се смята за грубо нарушение на Закона за защита на интелектуалната собственост на Република България. Просвещението си запазва правото да реагира на подобни нарушения включително по съдебен ред.

Leave a Reply

Your email address will not be published.

Translate »
error: Съдържанието е защитено!!!