Yeni bir teori, bir nesnenin kuantum özelliklerinin malzemeyi çevreleyen bir “atmosfere” yayılmasını önerir.
Son birkaç yılda, bazı malzemelerin fizikçiler için bir oyun alanı olduğu kanıtlanmıştır. Bu malzemeler özel bir şeyden yapılmaz - sadece protonlar, nötronlar ve elektronlar gibi normal parçacıklar. Ancak, parçalarının toplamından daha fazlasıdır. Bu malzemeler bir dizi dikkat çekici özelliklere ve fenomene sahiptir ve hatta fizikçileri, en aşina olduğumuz katı, gaz ve sıvı fazların ötesinde, maddenin yeni aşamalarına bile götürmüştür.
Özellikle fizikçileri heyecanlandıran bir malzeme sınıfı topolojik yalıtkan - ve daha geniş anlamda, teorik temelleri 2016'da keşfedicilerine Nobel Ödülü kazandıran topolojik aşamalardır. Topolojik bir yalıtkanın yüzeyinde, elektronlar düzgün bir şekilde akar, içeride ise elektronlar hareketsizdir. Dolayısıyla yüzeyi metal benzeri bir iletkendir, ancak içi seramik benzeri bir yalıtkandır. Topolojik izolatörler, sıra dışı fiziğine ve elektronların spinlerini ve yüklerini kullanan kuantum bilgisayarlarda ve spintronic cihazlarda potansiyel kullanımlarına dikkat çekti.
Ancak bu tür egzotik davranışlar her zaman açık değildir. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü fizikçisi ve 2004 Nobel Fizik Ödülü sahibi Frank Wilczek , “Materyallere bu tür özelliklere sahip olup olmadığını geleneksel yollarla bakarak kolayca anlatamazsınız” dedi.
Bu, görünüşte sıradan malzemelerin birçoğunun gizli - ancak olağandışı ve muhtemelen yararlı - özelliklerine sahip olabileceği anlamına gelir. Yakın zamanda çevrimiçi olarak yayınlanan bir makalede, Stockholm Üniversitesi'nden bir fizikçi olan Wilczek ve Qing-Dong Jiang, bu tür özellikleri keşfetmenin yeni bir yolunu öneriyorlar: malzemeyi çevreleyen ince bir aurayı araştırmak, kuantum atmosferi adını verdiler.
Fizikçilerin daha sonra ölçebileceği bu atmosferde bir malzemenin temel kuantum özelliklerinden bazıları ortaya çıkabilir. Deneylerde doğrulanırsa, bu fenomen kuantum mekaniğinin sadece birkaç makroskopik sonucundan biri değil, aynı zamanda bir dizi yeni malzemeyi keşfetmek için güçlü bir araç olabilir.
Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign'da yoğunlaştırılmış bir madde teorisyeni olan Taylor Hughes, “Bana böyle bir şeyin meydana gelip gelmeyeceğini sorsaydınız, bunun makul bir fikir gibi göründüğünü söyleyebilirdim” dedi. Ancak, “Etkinin çok küçük olduğunu hayal ederdim” diye ekledi. Ancak yeni analizde Jiang ve Wilczek, prensip olarak, bir kuantum atmosferik etkinin tespit edilebilirlik aralığında iyi olacağını hesapladı.
Wilczek, sadece bu değil, bu tür etkilerin tespit edilmesinin daha sonra değil, daha erken gerçekleştirilebileceğini söyledi.
ETKİ ALANI
Wilczek, kuantum atmosferin bir malzeme etrafında ince bir etki alanı olduğunu açıkladı. Kuantum mekaniğine göre, vakum tamamen boş değildir; bunun yerine, kuantum dalgalanmaları ile doludur. Örneğin, iki şarjsız plakayı alıp bir vakumda bir araya getirirseniz, sadece plakalar arasındaki mesafeden daha kısa dalga boylarına sahip kuantum dalgalanmaları sıkışabilir. Bununla birlikte, plakaların dışında, tüm dalga boylarındaki dalgalanmalar sığabilir. Dışarıdaki enerji içeriden daha büyük olacak, bu da plakaları bir araya getiren net bir kuvvetle sonuçlanacaktır. Wilczek, Casimir etkisi olarak adlandırılan bu fenomenin kuantum atmosferin etkisine benzediğini söyledi.
Tıpkı bir plakanın diğerine yaklaştıkça daha güçlü bir kuvvet hissetmesi gibi, iğne benzeri bir prob bir malzemeye yaklaştıkça kuantum atmosferinden bir etki hissedecektir. "Tıpkı her atmosfer gibi," dedi Wilczek. “Ona yaklaşıyorsunuz ve etkisini görmeye başlıyorsunuz.” Ve bu etkinin doğası, malzemenin kendisinin kuantum özelliklerine bağlıdır.
Bu özellikler olağanüstü olabilir. Belirli malzemeler, yakın zamanda bir çoklu evren malzemesi olarak adlandırılan şeyleri içeriyormuş gibi, kendi fiziksel yasalarıyla kendi evrenleri gibi davranırlar. Johns Hopkins Üniversitesi'nde yoğunlaştırılmış bir fizikçi olan Peter Armitage, “Modern yoğun madde fiziğinde çok önemli bir fikir, içinde farklı kurallar içeren bir topolojik yalıtkan olan bu malzemelere sahip olduğumuzdur” dedi.
Örneğin, bazı malzemeler manyetik tekeller gibi hareket eden nesneleri barındırır - kuzey kutbu olan ancak güney kutbu olmayan nokta benzeri mıknatıslar. Fizikçiler ayrıca fraksiyonel elektrik yüküne sahip quasipartiküller ve kendi antimadde görevi gören quasipartikülleri, kendilerini imha etme yeteneğini tespit ettiler.
Diğer malzemelerde benzer şekilde egzotik özellikler varsa, kendilerini kuantum atmosferlerde ortaya çıkarabilirler. Wilczek, prensip olarak, sadece malzemelerin atmosferini inceleyerek her türlü yeni özelliği keşfedebileceğinizi söyledi.
"Çok masum görünüyorlar, ama bir şekilde gizleniyorlar."
Fikirlerini göstermek için Jiang ve Wilczek, benzersiz özelliklere yol açabilecek akson elektrodinamiği adı verilen alışılmışın dışında bir kurallar dizisine odaklandı. Wilczek, bir aksyon adı verilen varsayımsal bir parçacığın elektrik ve manyetizma ile nasıl etkileşime gireceğini tanımlamak için 1987'de teoriyi buldu. (Fizikçiler daha önce aksonu fiziğin en büyük çözülmemiş sorularından birine bir çözüm olarak önermişlerdi: parçacıklar antipartikülleriyle değiştirilip bir aynaya yansıtıldığında, yük ve parite simetrisini koruyarak bile güçlü gücü içeren etkileşimlerin neden aynı olduğunu .) Bugüne kadar, yakın zamanda karanlık madde adayı olarak yenilenen ilgiyi elde etseler bile, hiç kimse aksların var olduğuna dair herhangi bir kanıt bulamadı.
Bu kurallar evrenin çoğunda geçerli görünmese de, topolojik izolatör gibi bir malzemenin içinde devreye girebildikleri ortaya çıkıyor. Wilczek, “Elektromanyetik alanların topolojik izolatörler olarak adlandırılan bu yeni tür maddelerle etkileşime girme biçimi temelde bir aks koleksiyonuyla etkileşime girme şeklidir” dedi.
Elmas Kusurları
Topolojik izolatör gibi bir malzeme aksiyon elektrodinamiğine uyarsa, kuantum atmosferi atmosfere geçen her şey üzerinde önemli bir etki yaratabilir. Jiang ve Wilczek, böyle bir etkinin manyetik alandakine benzer olacağını hesapladı. Özellikle, atmosfere bazı atomlar veya moleküller sistemi yerleştirirseniz, kuantum enerji seviyelerinin değişeceğini buldular. Daha sonra bir araştırmacı bu değişen seviyeleri standart laboratuvar tekniklerini kullanarak ölçebilir. Armitage, “Bu alışılmadık ama oldukça ilginç bir fikir” dedi.
“Bu güzel bir prensip kanıtı,” dedi Hughes. Bir uygulamanın, bir malzemenin özelliklerini haritalamak olabileceğini de sözlerine ekledi. Bir NV merkezini topolojik izolatör gibi bir malzemenin üzerinden geçirerek, özelliklerinin yüzey boyunca nasıl değişebileceğini belirleyebilirsiniz.
Jiang ve Wilczek'in Fiziksel İnceleme Mektuplarına sundukları makalesi, yalnızca aksiyon elektrodinamiğinden türetilen kuantum atmosferik etkinin ayrıntılarını vermektedir. Wilczek, diğer mülk türlerinin bir atmosferi nasıl etkilediğini belirlemek için farklı hesaplamalar yapmanız gerektiğini söyledi.
Simetrileri Kırmak
Temel olarak, kuantum atmosferlerin maskesini kaldırdığı özellikler simetrilerdir. Maddenin farklı evreleri ve bir evreye özgü özellikler simetri açısından düşünülebilir. Katı bir kristalde, örneğin, atomlar, özdeş bir kristal deseni oluşturmak için kayan veya dönen simetrik bir kafes içinde düzenlenir. Bununla birlikte, ısı uyguladığınızda, bağlar kopar, kafes yapısı çöker ve malzeme - şimdi belirgin şekilde farklı özelliklere sahip bir sıvı - simetrisini kaybeder.
Malzemeler, fizik yasalarının çoğunun uyduğu zaman-ters simetri gibi diğer temel simetrileri kırabilir. Ya da aynaya bakıldığında fenomenler, parite simetrisinin ihlali farklı olabilir.
Bu simetrilerin bir malzemede kırılıp kırılmadığı, daha önce bilinmeyen faz geçişlerini ve potansiyel olarak egzotik özellikleri gösterebilir. Wilczek, bazı kırık simetrileri olan bir malzemenin kuantum atmosferindeki bir probda aynı ihlalleri tetikleyeceğini söyledi. Örneğin, aksiyon elektrodinamiğine yapışan bir malzemede, zaman ve parite simetrisinin her biri kırılır, ancak ikisinin kombinasyonu bozulmaz. Bir materyalin atmosferini inceleyerek, bu simetri kırıcı paterni takip edip etmediğini ve ne ölçüde - ve dolayısıyla ne kadar tuhaf davranışlara sahip olabileceğini öğrenebilirsiniz.
“Bazı malzemeler, bilmediğimiz ve şüphelenmediğimiz simetrileri gizlice kıracak” dedi. "Çok masum görünüyorlar, ama bir şekilde gizleniyorlar."
Wilczek, fikri test etmek isteyen deney uzmanlarıyla zaten konuştuğunu söyledi. Dahası, deneylerin kolayca yapılabilir olması, umarım yıllar içinde değil, sadece haftalar ve aylar içinde meyve vermesi gerektiğini söyledi.
Eğer her şey yolunda giderse, “kuantum atmosfer” terimi fizik sözlüğünde kalıcı bir yer bulabilir. Wilczek daha önce aksonlar, anyonlar (kuantum hesaplama için yararlı olabilecek kuasipartiküller) ve zaman kristalleri (enerji kullanmadan düzenli ve tekrar eden örüntülerde hareket eden yapılar) gibi terimler üretmiştir. Armitage, isimleri tutan bir isim bulmanın iyi bir geçmişine sahip olduğunu söyledi. “'Kuantum ortamları' başka bir iyi ortam.”
History Books
Religion and Spirituality
Christian Books and Bibles
Commercial and Industrial Products
Health and Home