Φευγαλέα κατάσταση σαν το Higgs που δημιουργήθηκε σε εξωτικά υλικά
Εάν θέλετε να κατανοήσετε την προσωπικότητα ενός υλικού, μελετήστε τα ηλεκτρόνια του. Το επιτραπέζιο αλάτι σχηματίζει κυβικούς κρυστάλλους επειδή τα άτομά του μοιράζονται ηλεκτρόνια σε αυτή τη διαμόρφωση. Το ασήμι λάμπει επειδή τα ηλεκτρόνια του απορροφούν το ορατό φως και το ακτινοβολούν ξανά. Η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων προκαλεί σχεδόν όλες τις ιδιότητες του υλικού:σκληρότητα, αγωγιμότητα, θερμοκρασία τήξης.
Τελευταία, οι φυσικοί ενδιαφέρονται για τον τρόπο με τον οποίο τεράστιοι αριθμοί ηλεκτρονίων μπορούν να επιδείξουν συλλογική κβαντομηχανική συμπεριφορά. Σε ορισμένα υλικά, ένα τρισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια ηλεκτρόνια μέσα σε έναν κρύσταλλο μπορούν να λειτουργήσουν ως μονάδα, όπως τα μυρμήγκια της φωτιάς που συσσωρεύονται σε μια ενιαία μάζα για να επιβιώσουν από μια πλημμύρα. Οι φυσικοί θέλουν να κατανοήσουν αυτήν τη συλλογική συμπεριφορά λόγω της πιθανής σύνδεσης με εξωτικές ιδιότητες όπως η υπεραγωγιμότητα, στην οποία το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να ρέει χωρίς αντίσταση.
Πέρυσι, δύο ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες σχεδίασαν κρυστάλλους, γνωστούς ως δισδιάστατους αντισιδηρομαγνήτες, των οποίων τα ηλεκτρόνια μπορούν να μιμηθούν συλλογικά το μποζόνιο Higgs. Μελετώντας επακριβώς αυτή τη συμπεριφορά, οι ερευνητές πιστεύουν ότι μπορούν να κατανοήσουν καλύτερα τους φυσικούς νόμους που διέπουν τα υλικά - και ενδεχομένως να ανακαλύψουν νέες καταστάσεις της ύλης. Ήταν η πρώτη φορά που οι ερευνητές μπόρεσαν να προκαλέσουν τέτοιους «τρόπους Higgs» σε αυτά τα υλικά. «Δημιουργείτε ένα μικρό μίνι σύμπαν», είπε ο David Alan Tennant, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge που ηγήθηκε μιας από τις ομάδες μαζί με τον Tao Hong, τον συνάδελφό του εκεί.
Και οι δύο ομάδες προκάλεσαν ηλεκτρόνια σε δραστηριότητα παρόμοια με το Higgs, εκτοξεύοντας το υλικό τους με νετρόνια. Κατά τη διάρκεια αυτών των μικροσκοπικών συγκρούσεων, τα μαγνητικά πεδία των ηλεκτρονίων αρχίζουν να αυξομειώνονται με διαμορφωμένο τρόπο που μοιάζει μαθηματικά με το μποζόνιο Higgs.
Η λειτουργία Higgs δεν είναι απλώς μια μαθηματική περιέργεια. Όταν η δομή ενός κρυστάλλου επιτρέπει στα ηλεκτρόνια του να συμπεριφέρονται με αυτόν τον τρόπο, το υλικό έχει πιθανότατα άλλες ενδιαφέρουσες ιδιότητες, είπε ο Bernhard Keimer, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Max Planck για την Έρευνα Στερεάς Κατάστασης που συνυπογράφει την άλλη ομάδα.
Αυτό συμβαίνει επειδή όταν εμφανιστεί η λειτουργία Higgs, το υλικό θα πρέπει να βρίσκεται στο χείλος μιας λεγόμενης κβαντικής μετάβασης φάσης. Οι ιδιότητές του πρόκειται να αλλάξουν δραστικά, όπως μια χιονόμπαλα μια ηλιόλουστη ανοιξιάτικη μέρα. Το Higgs μπορεί να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον χαρακτήρα της μετάβασης της κβαντικής φάσης, λέει ο Subir Sachdev, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ. Αυτά τα κβαντικά φαινόμενα συχνά προμηνύουν παράξενες νέες ιδιότητες υλικού.
Για παράδειγμα, οι φυσικοί πιστεύουν ότι οι μεταπτώσεις κβαντικής φάσης παίζουν ρόλο σε ορισμένα υλικά, γνωστά ως τοπολογικοί μονωτές, που μεταφέρουν ηλεκτρισμό μόνο στην επιφάνειά τους και όχι στο εσωτερικό τους. Οι ερευνητές παρατήρησαν επίσης κβαντικές μεταβάσεις φάσης σε υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας, αν και η σημασία των μεταπτώσεων φάσης είναι ακόμα ασαφής. Ενώ οι συμβατικοί υπεραγωγοί πρέπει να ψύχονται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν για να παρατηρηθούν τέτοια αποτελέσματα, οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας λειτουργούν σε σχετικά ήρεμες συνθήκες υγρού αζώτου, το οποίο είναι δεκάδες βαθμούς υψηλότερο.
Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει τη λειτουργία Higgs σε άλλους υπεραγωγούς, αλλά δεν μπορούν πάντα να καταλάβουν τι ακριβώς συμβαίνει. Τα τυπικά υλικά που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της λειτουργίας Higgs έχουν μια περίπλοκη κρυσταλλική δομή που αυξάνει τη δυσκολία κατανόησης της φυσικής στην εργασία.
Έτσι, τόσο οι ομάδες του Keimer όσο και του Tennant ξεκίνησαν να προκαλέσουν τη λειτουργία Higgs σε απλούστερα συστήματα. Οι αντισιδηρομαγνήτες τους ήταν τα λεγόμενα δισδιάστατα υλικά:Ενώ κάθε κρύσταλλος υπάρχει ως ένα τρισδιάστατο κομμάτι, αυτά τα κομμάτια είναι κατασκευασμένα από στοιβαγμένα δισδιάστατα στρώματα ατόμων που δρουν λίγο πολύ ανεξάρτητα. Κάπως παράδοξα, είναι μια πιο δύσκολη πειραματική πρόκληση να προκληθεί η λειτουργία Higgs σε αυτά τα δισδιάστατα υλικά. Οι φυσικοί δεν ήταν σίγουροι αν θα μπορούσε να γίνει.
Ωστόσο, τα επιτυχημένα πειράματα έδειξαν ότι ήταν δυνατό να χρησιμοποιηθούν υπάρχοντα θεωρητικά εργαλεία για να εξηγηθεί η εξέλιξη του τρόπου λειτουργίας Higgs. Η ομάδα του Keimer διαπίστωσε ότι ο τρόπος Higgs είναι παράλληλος με τη συμπεριφορά του μποζονίου Higgs. Μέσα σε έναν επιταχυντή σωματιδίων όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων, ένα μποζόνιο Χιγκς θα διασπαστεί γρήγορα σε άλλα σωματίδια, όπως τα φωτόνια. Στον αντισιδηρομαγνήτη του Keimer, ο τρόπος Higgs μεταμορφώνεται σε διαφορετική κίνηση συλλογικών ηλεκτρονίων που μοιάζει με σωματίδια που ονομάζονται μποζόνια Goldstone. Η ομάδα επιβεβαίωσε πειραματικά ότι η λειτουργία Higgs εξελίσσεται σύμφωνα με τις θεωρητικές της προβλέψεις.
Η ομάδα του Tennant ανακάλυψε πώς να κάνει το υλικό τους να παράγει μια λειτουργία Higgs που δεν σβήνει. Αυτή η γνώση θα μπορούσε να τους βοηθήσει να προσδιορίσουν πώς να ενεργοποιήσουν άλλες κβαντικές ιδιότητες, όπως η υπεραγωγιμότητα, σε άλλα υλικά. "Αυτό που θέλουμε να καταλάβουμε είναι πώς να διατηρήσουμε την κβαντική συμπεριφορά στα συστήματα", είπε ο Tennant.
Και οι δύο ομάδες ελπίζουν να προχωρήσουν πέρα από τη λειτουργία Higgs. Ο Keimer στοχεύει να παρατηρήσει πραγματικά μια μετάβαση κβαντικής φάσης στον αντισιδηρομαγνήτη του, η οποία μπορεί να συνοδεύεται από πρόσθετα περίεργα φαινόμενα. «Αυτό συμβαίνει αρκετά», είπε. "Θέλετε να μελετήσετε μια συγκεκριμένη μετάβαση κβαντικής φάσης και μετά εμφανίζεται κάτι άλλο."
Θέλουν επίσης απλώς να εξερευνήσουν. Αναμένουν ότι πιο περίεργες ιδιότητες της ύλης συνδέονται με τη λειτουργία Higgs - ενδεχομένως αυτές που δεν έχουν ακόμη οραματιστεί. «Ο εγκέφαλός μας δεν έχει μια φυσική διαίσθηση για τα κβαντικά συστήματα», είπε ο Tennant. "Η εξερεύνηση της φύσης είναι γεμάτη εκπλήξεις γιατί είναι γεμάτη από πράγματα που δεν είχαμε ποτέ φανταστεί."
