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.
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.
Источник
Подписка на новостой RSS-канал сайта
Получать новости сайта по почте
Контактный адрес для любых сообщений
МЕНЮ
Архив материалов
Подписка на новости
Новости криптозоологии
Хроники природных катастроф
ПОСЛЕДНИЕ НОВОСТИ
03.05.2018 - 11.06.2018 (1000)
12.06.2018 - 18.07.2018 (990)
19.07.2018 - 24.08.2018 (1000)
25.08.2018 - 02.10.2018 (1000)
03.10.2018 - 07.11.2018 (990)
08.11.2018 - 13.12.2018 (990)
14.12.2018 - 23.01.2019 (1000)
24.01.2019 - 02.03.2019 (1000)
03.03.2019 - 12.04.2019 (1010)
13.04.2019 - 23.05.2019 (990)
24.05.2019 - ...
Последние аномальные новости

Демон из комнаты номер два

Держите дверь закрытой

Десять вариантов будущего

Дом еврейского общества с привидениями

Есть ли у землян шанс встретить братьев по разуму

Загадочные лестницы, затерянные во времени и пространстве

Истории на свадьбе, которые нельзя объяснить

К ожирению склонны почти все

Красноярцы сняли НЛО возле Черной сопки

Марс предложили колонизировать при помощи банка спермы

На что похоже падение в черную дыру

Над Плимутом были замечены два шарообразных НЛО

Найден труп инопланетянина-лилипута

Наша Солнечная система - особенная

Неужели Рая и Ада не существует

Нибиру заберет с Земли электричество

НЛО заметили в небе над Пензой

Огромное существо вырывает деревья с корнем

Секретные документы о захвате инопланетного корабля

Увлечение смартфонами вызывает рост рогов

Визит мертвого друга

Группа НЛО замечена над аэропортом Порту-Алегри

Жизнь может существовать в 2D-мире

Компания SpaceX отправит в космос прах 152 человек

Кракена сняли на видео

Микробы могут выжить в соленых лужах Марса

Миллионы мест с карт Google никогда не существовали

Мой брат видит мертвых людей

Облака Ван Гога над горой Писга

Предсказан закат человечества к 2050 году

Признаки жизни обнаружили на Марсе

Раскрыта главная тайна романтических отношений

Ребенок во дворе

Случай с леденцом

Случайный бездомный

Солнечный парус в действии

Составляют карту аномальных мест Бурятии

Существование призраков объяснили Теорией относительности

Через 10 лет врачи будут не нужны

Экзопланета создает узоры вокруг своей звезды

Вход в инопланетную базу на мысе Доброй Надежды

Два белых НЛО испугали жителей Канзас-Сити

Жуткий рассказ парамедика

Инопланетяне через фермеров передали послание

Кот со сверхспособностями, который спас Брежнева

Люди умели готовить около 100 тысяч лет назад

Мое мертвое тело во сне

На Церере нашли ледяной вулкан

Нечто в доме

Новая книга Марии и Виктора Котляровых 'Мистическая Кабардино-Балкария'

Очередной человек, органы которого расположены зеркально

Пророчества сбываются. Снег выпал в июне

Профессор Валитов доказал существование Бога

Работы по установке кромлеха ведутся в нацпарке Мещёра

Рыбак поймал столетнего мутанта

Уран оказался властелином горячих темных колец

Флот инопланетян заметили над Россией

Хильдегарда Бингенская - уникальная женщина всех времен

Что радиация сделала с обитателями Зоны Чернобыля

Язычники со всей Европы собрались у Стоунхенджа

Верный пес остался ждать умершего хозяина у больничной койки

Всевидящее око. Под растаявшим льдом обнаружили Глаз дракона

Женщина 23 года прожила с хирургическим зажимом в животе

Загадка сибирских инопланетян

Иллюзия гигантской руки напугала пользователей

Круги на полях обнаружили жители Кубани

Маленькие подземные человечки из легенд Чероки

НЛО, летящий над Марсом

Певица рассказала о своем контакте с внеземной цивилизацией

Подледный океан Энцелада похож на океаны Земли

Призрак хозяйничает в музыкальном магазине

Раскрыта тайна возникновения сложной жизни

Раскрыта тайна заброшенного древнего города

Розуэлльский инцидент. Крушение НЛО или мистификация - 2

Розуэлльский инцидент. Крушение НЛО или мистификация

Сенаторам рассказали о встречах пилотов с НЛО

Случаи столкновения людей с параллельной Вселенной

Строится перехватчик для межзвездных пришельцев

Таинственные огни на горе Браун

Черные дыры способствуют возникновению жизни на планетах-изгоях

Геоглиф Марейского человека

Загадочная кошка-лиса может быть новым видом

Звонок в загробный мир

Инопланетное нечто из глубин залива Монтерей

Инопланетяне изувечили корову в Аргентине

Как пришельцы влияют на человека во время встреч

Как смотрелись бы другие звезды на месте Солнца

Как ученый из Китая открыл ящик Пандоры

Маг попытался повторить трюк Гудини

Мистическая пропажа экипажа L-8

Мужчина выиграл миллион в свой день рождения

НЛО заметили над Дейтоном

НЛО пролетели над горами Уосатч

НЛО снятые в небе над Мексикой

Огромный НЛО приблизился с пассажирскому самолету

Планеты в двойных системах ожидает интересная судьба

Раскрыта тайна линий в пустыне Наска

Самые жуткие дома с привидениями

Серебристые облака в этом сезоне шокируют наблюдателей

Что содержится в ДНК русского человека

Университет Канады - хороший вариант получения высшего образования

Археологов выгнали с раскопок после обнаружения рисунка пришельца

Боевой робот-гладиатор получил апгрейд

В ДНК современного человека новые куски генома неандертальцев

Главный двигатель эволюции - хорошие отцы

Два аналога Земли обнаружены у звезды Тигардена

Деревня колдунов в Людиновском районе

ДНК необходима для появления живых организмов

Зону без времени создадут в Норвегии

Израиль ждет прихода Мессии

ИИ научили рисовать сложные сцены по текстовому описанию

ИИ создал реалистичный портрет героя Doom

Какие мифические предвестники беды существуют

Коварная оптическая иллюзия с тонущей лодкой

Космонавт Леонов опроверг мифы о реальности НЛО

Крестообразная база инопланетян найдена на Луне

Лысые гуманоиды из вьетнамских джунглей

НЛО заметили в Мичигане

НЛО развил запредельную скорость над Луной

Подросток выжил после того, как сквозь его голову прошло лезвие

Почему цикл солнечной активности длится 11 лет

Проклятый черный ангел

Результаты наблюдений внеземной жизни

Робот защитит рисовые террасы от сорняков

Самые известные экстрасенсы

Сделан реальный костюм железного человека

Секрет домов с привидениями раскрыт

Секреты Старой Сарепты. Исчезнувший рыцарь и портал в потусторонний мир

Скончалась женщина, считавшаяся старейшей жительницей Европы

Следы бигфута нашли на границе Канады

Служба охотников за ведьмами приехала в Челябинск

Случай наблюдения живого динозавра в пустошах Юкона

Сотни индийцев присутствуют на свадьбе двух лягушек

Специалисты Космопоиска увидели НЛО

Туземец Южной Америки знал английский язык с рождения

Тунгусский метеорит упадет на Иран 27 июня

У жительницы Таиланда уже 9 месяцев растет грудь

Фото красных спрайтов с борта МКС

Человечеству предрекли метановую катастрофу

Что если ИИ станет террористом

Что означает комбинация цифр 11-11 на часах

Важно иметь хорошее образование, такое можно получить в BPP University

Встречи военных СССР с НЛО

Дети, которые помнят свои прошлые жизни

Животные покидают Йеллоустоун тысячами

Зарегистрировано 4000 подтвержденных экзопланет

Зачем растения превращают в киборгов

Изначально Атлантида была на Венере

Инопланетяне угрожают национальной безопасности США

Искусственный интеллект смог связать осязание и зрение

Исследователи нашли место появления гуманоида Алешеньки

Ищут новые планеты в системе Альфа Центавра

Кладбищенские истории. Загадка Своффхэма

Космическую пыль нашли на дне Салымского озера

Лох-Несс чудовище родилось в лабораторных условиях

Марсианские облака имеют космическое происхождение

Мистические землетрясения

Миф об обитателях-мутантах в Москве-реке

Монстр Миссисипи. Рыба с головой аллигатора

Мы живем в черной дыре

Недавно образовавшийся кратер сняли на Марсе

Новая система позволяет управлять роботом силой мысли

Облака-НЛО зависли над Петербургом

Получено видео очень странного существа

Раскопали странный мегалитический объект

Робот-врач будет консультировать лучше, чем человек

Сбой в Матрице. Летающие камни

Светящийся шар поймала ИК-камера

Свистящие существа из Индонезии

Сделан большой шаг к созданию плащей-невидимок

Странные звуки над Данией и Юго-Восточной Британией

Таинственные вспышки света на Луне

В 20 туре МЛС, ФК «Даллас» и «ЧИКАГО ФАЙР» наберут по 3 очка

Аномальные зоны Коми. Аномалии в Ухтинской зоне

Аномальные зоны Коми. Железный лес

Аномальные зоны Коми. Керосская аномалия

Аномальные зоны Коми. Круги на старой Додзьской дороге

Аномальные зоны Коми. Подтыбокская аномалия

Аномальные зоны Коми. Чудь кар

Аномальные зоны Коми. Эташор

Аномальные зоны Коми. Языческая роща

Базу инопланетян нашли на Меркурии

Восход Нибиру возвестит о начале Третьей мировой войны

Встречи с гномами. Рассказы очевидцев

Городские легенды Австралии. Аллея Шнайдера

Городские легенды Австралии. История о карликовом пинчере

Подписка на новости сайта
Наверх
Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика