Новая теория предполагает, что квантовые свойства объекта простираются на “атмосферу”, окружающую материал
За несколько последних лет некоторые материалы стали игровой площадкой для физиков. Они не состоят из чего-то особенного – в их составе обычные частицы вроде протонов, нейтронов и электронов. Но они представляют собой нечто большее, чем сумму составных частей. У этих материалов есть наборы впечатляющих свойств и явлений, которые даже навели физиков на новые фазы материи – за пределами твёрдого, жидкого и газообразного состояния, с которыми мы все знакомы.
Один класс материалов, особенно интересный физикам, это топологические изоляторы – или, в более общем виде, топологические фазы вещества, теоретические основы которых принесли их первооткрывателям нобелевскую премию в 2016. По поверхности топологического изолятора электроны движутся свободно, а внутри они неподвижны. Поэтому его поверхность служит проводником, похожим на металл, а внутренности похожи на керамический изолятор. Топологические изоляторы привлекли внимание своей необычной физикой и потенциалом для использования в квантовых компьютерах и т.н. устройствах спинтроники, использующих спины электронов, а не только их заряд.
Однако такое экзотическое поведение не всегда бывает очевидным. “Нельзя просто посмотреть на материал обычными методами, и сказать, есть ли у него такие свойства”, – сказал Фрэнк Вильчек, физик из MIT, получивший в 2004 году нобелевскую премию по физике.
Это значит, что многие материалы, кажущиеся обычными, могут таить в себе скрытые свойства – необычные, и возможно, полезные. В недавно опубликованной в онлайне работе Вильчек и Цин-Дун Цзян, физик из Стокгольмского университета, предложили новый способ открытия подобных свойств: изучая тонкую ауру, окружающую материал, которую они назвали квантовой атмосферой.
Некоторые фундаментальные квантовые свойства материала могут проявить себя через эту атмосферу, а её в свою очередь физики могут измерить. Если это подтвердится в экспериментах, это явление, по словам Вильчека, станет не только одним из малого количества макроскопических проявлений квантовой механики, но и мощным инструментом изучения множества новых материалов.
“Если вы спросите меня, может ли что-то такое существовать, я скажу, что идея кажется разумной, – сказал Тэйлор Хьюз, физик-теоретик, специалист по конденсированным средам из Иллинойского университета. Но, добавил он, “я бы сказал, что эффект должен быть очень маленьким”. В новом анализе Цзян и Вильчек подсчитали, что в принципе квантовый атмосферный эффект должен находиться в пределах обнаружимого.
Более того, как сказал Вильчек, обнаружение подобных эффектов может произойти уже в ближайшее время.
Зона влияния
Квантовая атмосфера, как пояснил Вильчек, это тонкая зона влияния вокруг материала. Согласно квантовой механике, вакуум не пуст: он заполнен квантовыми флуктуациями. К примеру, если взять две незаряженные пластинки и сблизить их в вакууме, между ними смогут возникнуть только те квантовые флуктуации, длины волн которых будут меньше, чем расстояние между ними. Однако вне пластинок будут появляться флуктуации всех длин волн. В результате снаружи энергия будет больше, чем внутри, и появится сила, сближающая пластинки. Это явление называется эффектом Казимира, и похоже на влияние квантовой атмосферы, как пояснил Вильчек.
Как пластинка ощущает воздействие силы вблизи другой пластинки, так и игольчатый зонд будет ощущать влияние квантовой атмосферы при приближении к материалу. “Это похоже на обычную атмосферу, – сказал Вильчек. – Вы приближаетесь к ней и начинаете наблюдать её влияние”. А природа этого влияния зависит от квантовых свойств самого материала.
И это могут быть необычные свойства. Некоторые материалы ведут себя, будто небольшие вселенные со своими законами физики, будто включая в себя то, что недавно назвали мультивселенной материалов. “Очень важная идея в современной физике конденсированных сред состоит в том, что у нас есть такие материалы – допустим, топологический изолятор – у которых внутри работают другие правила”, – сказал Питер Армитаж, специалист по физике конденсированных сред из Университета Джонса Хопкинса.
Некоторые материалы, к примеру, содержат объекты, ведущие себя, как магнитные монополи – точечные магниты, имеющие северный полюс, но не имеющие южного. Физики также обнаружили т.н. квазичастицы с дробными электрическими зарядами и квазичастицы, являющиеся антиматерией сами себе, и способные аннигилировать сами с собой.
Если подобные экзотические свойства существуют в других материалах, они могут проявляться в квантовой атмосфере. В принципе, можно открыть всякие разные новые свойства, просто зондируя атмосферу материалов, сказал Вильчек.
Для демонстрации идеи Вильчек и Цзян сконцентрировались на неортодоксальном наборе правил, аксионной электродинамике, которая может породить уникальные свойства. Вильчек в 1987 году придумал теорию, которая объясняет, как гипотетическая частица, аксион, может взаимодействовать с электричеством и магнетизмом. Ранее физики предлагали аксион в качестве решения одного из крупнейших вопросов физики: почему реакции при участии сильного взаимодействия проходят одинаково при замене частиц на античастицы и зеркальном отражении – то есть, при сохранении симметрии заряда и чётности. Пока что никто не нашёл свидетельств существования аксионов, хотя недавно к ним снова возрос интерес как к кандидатам на частицы тёмной материи.
И хотя эти правила не действуют в большей части Вселенной, они, вероятно, могут работать внутри таких материалов, как топологические изоляторы. “То, как электромагнитные поля взаимодействуют с этой материей нового типа, топологическими изоляторами, практически совпадает с тем, как они взаимодействовали бы с аксионами”, – сказал Вильчек.
Дефекты алмаза
Если такой материал, как топологический изолятор подчиняется аксионной электродинамике, его квантовая атмосфера должна воздействовать определённым образом на всё, что с ней взаимодействует. Вильчек и Цзян подсчитали, что этот эффект будет схож с воздействием магнитного поля. В частности, они обнаружили, что если поместить в атмосферу систему из атомов или молекул, она повлияет на их квантовые энергетические уровни. Тогда исследователь мог бы измерить эти уровни при помощи стандартных лабораторных технологий. “Это довольно необычная, но очень интересная идея”, – сказал Армитаж.
Одна из таких потенциальных систем – алмазный зонд, в котором присутствуют азото-замещённые вакансии (NV-центры). NV-центр – это такой дефект в кристаллической структуре алмаза, когда некоторые атомы углерода заменены на атомы азота, а место рядом с азотом пустует. Квантовое состояние такой системы очень чувствительно, что позволяет NV-центрам вынюхивать даже очень слабые магнитные поля. Это свойство делает их чувствительными датчиками, которые можно использовать во многих областях геологии и биологии.
“Это неплохая демонстрация работоспособности”, – сказал Хьюс. Одним из применений, по его словам, может быть разметка свойств материала. Проводя NV-центром по материалу типа топологического изолятора, можно определить вариацию его свойств по поверхности.
Работа Вильчек и Цзян, отправленная ими в журнал Physical Review Letters, описывает только влияние квантовой атмосферы, происходящее благодаря аксионной электродинамике. Чтобы определить, каким образом другие свойства материалов влияют на атмосферу, придётся проводить другие расчёты, сказал Вильчек.
Разрушая симметрии
На фундаментальном уровне квантовые атмосферы раскрывают симметрии. Различные фазы материи, и свойства, присущие каждой из них, можно рассматривать в терминах симметрии. К примеру, в твёрдом кристалле атомы выстроены в виде симметричной решётки, которая сдвигается или вращается, чтобы сформировать идентичную кристаллическую последовательность. Однако при нагревании связи рвутся, решётка рушится, и материал – превратившийся теперь в жидкость с совершенно другими свойствами – теряет симметрию.
Материалы могут разрушать и другие фундаментальные симметрии, например, симметрию обращения времени, которой подчиняется большинство законов физики. Или же явления могут выглядеть по-другому в зеркальном отражении, и это будет нарушение симметрии чётности.
Разрушение симметрий в материале может означать ранее неизвестные фазовые переходы и потенциально экзотические свойства. Материал с определёнными разрушенными симметриями вызовет те же изменения в зонде, что происходят в его квантовой атмосфере, сказал Вильчек. К примеру, в материале, придерживающемся аксионной электродинамики, нарушаются симметрии по времени и по чётности, однако не их комбинация. Зондируя атмосферу материала, можно узнать, следует ли он этой закономерности нарушения симметрий, и до какой степени – и, следовательно, какие у него могут быть странные свойства.
“Некоторые материалы могут тайно нарушать симметрии, о которых мы не знали и даже не подозревали, – сказал он. – Они могут выглядеть невинно, но при этом хранить секреты”.
Вильчек сказал, что он уже поговорил с экспериментаторами, интересующимися проверкой данной идеи. Более того, эксперименты уже должны быть доступны, и состояться не через несколько лет, а всего через несколько недель и месяцев.
Если всё получится, то термин “квантовая атмосфера” может найти себе постоянное место в лексиконе физиков. Вильчек раньше уже придумывал такие термины, как аксионы, энионы (квазичастицы, могущие быть полезными для квантовых вычислений) и темпоральные кристаллы (структуры, регулярно меняющиеся во времени без поступления энергии). Армитаж сказал, что у него есть хороший послужной список придумывания терминов, остающихся в употреблении. “Квантовые атмосферы – ещё один прекрасный пример”.
