Η «Πιο παράξενη» ύλη, που αποτελείται από μερικά σωματίδια, αψηφά την περιγραφή

Το γραφείο σας αποτελείται από μεμονωμένα, διακριτά άτομα, αλλά από μακριά η επιφάνειά του φαίνεται λεία. Αυτή η απλή ιδέα βρίσκεται στον πυρήνα όλων των μοντέλων μας για τον φυσικό κόσμο. Μπορούμε να περιγράψουμε τι συμβαίνει συνολικά χωρίς να κολλήσουμε στις περίπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ κάθε ατόμου και ηλεκτρονίου.

Έτσι, όταν ανακαλύφθηκε μια νέα θεωρητική κατάσταση της ύλης της οποίας τα μικροσκοπικά χαρακτηριστικά επιμένουν πεισματικά σε όλες τις κλίμακες, πολλοί φυσικοί αρνήθηκαν να πιστέψουν στην ύπαρξή της.

«Όταν άκουσα για πρώτη φορά για τα φράκτον, είπα ότι δεν υπάρχει περίπτωση να είναι αλήθεια, γιατί αψηφά εντελώς την προκατάληψη μου για το πώς συμπεριφέρονται τα συστήματα», είπε ο Nathan Seiberg, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ. "Αλλά έκανα λάθος. Συνειδητοποίησα ότι ζούσα στην άρνηση.»

Η θεωρητική πιθανότητα των φρακτονίων εξέπληξε τους φυσικούς το 2011. Πρόσφατα, αυτές οι περίεργες καταστάσεις της ύλης οδήγησαν τους φυσικούς σε νέα θεωρητικά πλαίσια που θα μπορούσαν να τους βοηθήσουν να αντιμετωπίσουν μερικά από τα πιο σοβαρά προβλήματα στη θεμελιώδη φυσική.

Τα φράκτονα είναι οιονεί σωματίδια — οντότητες που μοιάζουν με σωματίδια που προκύπτουν από περίπλοκες αλληλεπιδράσεις μεταξύ πολλών στοιχειωδών σωματιδίων μέσα σε ένα υλικό. Αλλά τα φράκτον είναι περίεργα ακόμη και σε σύγκριση με άλλα εξωτικά οιονεί σωματίδια, επειδή είναι εντελώς ακίνητα ή ικανά να κινούνται μόνο με περιορισμένο τρόπο. Δεν υπάρχει τίποτα στο περιβάλλον τους που να εμποδίζει τα φράκτον να κινούνται. μάλλον είναι μια εγγενής ιδιότητά τους. Σημαίνει ότι η μικροσκοπική δομή των φρακτόνων επηρεάζει τη συμπεριφορά τους σε μεγάλες αποστάσεις.

«Αυτό είναι εντελώς σοκαριστικό. Για μένα είναι η πιο περίεργη φάση της ύλης», είπε ο Xie Chen, θεωρητικός της συμπυκνωμένης ύλης στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια.

Μερικά σωματίδια

Το 2011, ο Jeongwan Haah, τότε μεταπτυχιακός φοιτητής στο Caltech, έψαχνε για ασυνήθιστες φάσεις ύλης που ήταν τόσο σταθερές που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την εξασφάλιση της κβαντικής μνήμης, ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο υπολογιστή, βρήκε μια νέα θεωρητική φάση που ονομάστηκε κώδικας Haah. Η φάση τράβηξε γρήγορα την προσοχή άλλων φυσικών λόγω των παράξενα ακίνητων οιονεί σωματιδίων που την αποτελούν.

Φαινόταν, μεμονωμένα, σαν απλά κλάσματα σωματιδίων, ικανά να κινούνται μόνο σε συνδυασμό. Σύντομα, βρέθηκαν περισσότερες θεωρητικές φάσεις με παρόμοια χαρακτηριστικά, και έτσι το 2015 ο Haah — μαζί με τον Sagar Vijay και τον Liang Fu — επινόησε τον όρο «fractons» για τα περίεργα μερικά οιονεί σωματίδια. (Ένα παλαιότερο αλλά παραμελημένο έγγραφο του Claudio Chamon πιστώνεται τώρα με την αρχική ανακάλυψη της συμπεριφοράς φράκτον.)

Για να δείτε τι είναι τόσο εξαιρετικό για τις φάσεις φράκτον, σκεφτείτε ένα πιο τυπικό σωματίδιο, όπως ένα ηλεκτρόνιο, που κινείται ελεύθερα μέσα από ένα υλικό. Ο περίεργος αλλά συνηθισμένος τρόπος με τον οποίο ορισμένοι φυσικοί αντιλαμβάνονται αυτή την κίνηση είναι ότι το ηλεκτρόνιο κινείται επειδή ο χώρος είναι γεμάτος με ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων που στιγμιαία ξεπροβάλλουν και βγαίνουν από την ύπαρξη. Ένα τέτοιο ζεύγος εμφανίζεται έτσι ώστε το ποζιτρόνιο (το αντίθετα φορτισμένο αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου) να βρίσκεται πάνω από το αρχικό ηλεκτρόνιο και να εκμηδενίζονται. Αυτό αφήνει πίσω το ηλεκτρόνιο από το ζεύγος, μετατοπισμένο από το αρχικό ηλεκτρόνιο. Καθώς δεν υπάρχει τρόπος διάκρισης μεταξύ των δύο ηλεκτρονίων, το μόνο που αντιλαμβανόμαστε είναι ένα μόνο ηλεκτρόνιο να κινείται.

Τώρα αντίθετα φανταστείτε ότι ζεύγη σωματιδίων και αντισωματιδίων δεν μπορούν να προκύψουν από το κενό, αλλά μόνο τα τετράγωνά τους. Σε αυτήν την περίπτωση, μπορεί να προκύψει ένα τετράγωνο έτσι ώστε ένα αντισωματίδιο να βρίσκεται πάνω από το αρχικό σωματίδιο, εξαφανίζοντας αυτή τη γωνία. Στη συνέχεια, ένα δεύτερο τετράγωνο ξεπροβάλλει από το κενό, έτσι ώστε μια από τις πλευρές του να εκμηδενίζεται με μια πλευρά από το πρώτο τετράγωνο. Αυτό αφήνει πίσω την αντίθετη πλευρά του δεύτερου τετραγώνου, που επίσης αποτελείται από ένα σωματίδιο και ένα αντισωματίδιο. Η προκύπτουσα κίνηση είναι αυτή ενός ζεύγους σωματιδίου-αντισωματιδίου που κινείται πλάγια σε ευθεία γραμμή. Σε αυτόν τον κόσμο - ένα παράδειγμα φάσης φράκτον - η κίνηση ενός μόνο σωματιδίου είναι περιορισμένη, αλλά ένα ζεύγος μπορεί να κινηθεί εύκολα.

Ο κώδικας Haah οδηγεί το φαινόμενο στα άκρα:Τα σωματίδια μπορούν να κινηθούν μόνο όταν καλούνται νέα σωματίδια σε ατελείωτα επαναλαμβανόμενα μοτίβα που ονομάζονται φράκταλ. Ας υποθέσουμε ότι έχετε τέσσερα σωματίδια διατεταγμένα σε ένα τετράγωνο, αλλά όταν κάνετε μεγέθυνση σε κάθε γωνία, βρίσκετε ένα άλλο τετράγωνο τεσσάρων σωματιδίων που είναι κοντά μεταξύ τους. Κάντε ξανά μεγέθυνση σε μια γωνία και βρίσκετε ένα άλλο τετράγωνο και ούτω καθεξής. Για να υλοποιηθεί μια τέτοια δομή στο κενό απαιτεί τόση πολλή ενέργεια που είναι αδύνατο να μετακινηθεί αυτός ο τύπος φράκτον. Αυτό επιτρέπει σε πολύ σταθερά qubits - τα bit του κβαντικού υπολογισμού - να αποθηκεύονται στο σύστημα, καθώς το περιβάλλον δεν μπορεί να διαταράξει την ευαίσθητη κατάσταση των qubits.

Η ακινησία των φρακτονών καθιστά πολύ δύσκολο να τα περιγράψουμε ως ένα ομαλό συνεχές από μακριά. Επειδή τα σωματίδια μπορούν συνήθως να κινούνται ελεύθερα, αν περιμένετε αρκετό καιρό, θα κινηθούν σε μια κατάσταση ισορροπίας, που ορίζεται από ιδιότητες όγκου όπως η θερμοκρασία ή η πίεση. Οι αρχικές θέσεις των σωματιδίων παύουν να έχουν σημασία. Αλλά τα φράκτον είναι κολλημένα σε συγκεκριμένα σημεία ή μπορούν να κινηθούν μόνο σε συνδυασμό κατά μήκος ορισμένων γραμμών ή επιπέδων. Η περιγραφή αυτής της κίνησης απαιτεί παρακολούθηση των διακριτών θέσεων των φρακτονίων, και έτσι οι φάσεις δεν μπορούν να αποτινάξουν τον μικροσκοπικό τους χαρακτήρα ή να υποβληθούν στη συνήθη περιγραφή του συνεχούς.

Η αποφασιστική μικροσκοπική συμπεριφορά τους καθιστά «μια πρόκληση να φανταστούμε παραδείγματα φρακτονών και να σκεφτούμε βαθιά τι είναι δυνατό», είπε ο Vijay, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα. "Χωρίς συνεχή περιγραφή, πώς ορίζουμε αυτές τις καταστάσεις της ύλης;"

«Μας λείπουν πολλά πράγματα», είπε ο Τσεν. "Δεν έχουμε ιδέα πώς να τα περιγράψουμε και τι σημαίνουν."

Ένα νέο πλαίσιο Fracton

Τα Fracton δεν έχουν ακόμη κατασκευαστεί στο εργαστήριο, αλλά αυτό μάλλον θα αλλάξει. Ορισμένοι κρύσταλλοι με ακίνητα ελαττώματα έχει αποδειχθεί ότι είναι μαθηματικά παρόμοιοι με τα φράκτον. Και το θεωρητικό τοπίο του φράκτον έχει ξεδιπλωθεί πέρα ​​από ό,τι περίμενε κανείς, με νέα μοντέλα να εμφανίζονται κάθε μήνα.

"Πιθανώς στο εγγύς μέλλον κάποιος θα λάβει μία από αυτές τις προτάσεις και θα πει, "Εντάξει, ας κάνουμε ένα ηρωικό πείραμα με ψυχρά άτομα και ας συνειδητοποιήσουμε ακριβώς ένα από αυτά τα μοντέλα φράκτον", δήλωσε ο Brian Skinner, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο του Οχάιο. που έχει επινοήσει μοντέλα φράκτον.

Ακόμη και χωρίς την πειραματική πραγματοποίησή τους, η απλή θεωρητική πιθανότητα των φρακτονίων σήμανε τον κώδωνα του κινδύνου για τον Seiberg, έναν κορυφαίο ειδικό στην κβαντική θεωρία πεδίου, το θεωρητικό πλαίσιο στο οποίο περιγράφονται επί του παρόντος σχεδόν όλα τα φυσικά φαινόμενα.

Η κβαντική θεωρία πεδίου απεικονίζει διακριτά σωματίδια ως διεγέρσεις σε συνεχή πεδία που εκτείνονται σε χώρο και χρόνο. Είναι η πιο επιτυχημένη φυσική θεωρία που έχει ανακαλυφθεί ποτέ και περιλαμβάνει το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων — την εντυπωσιακά ακριβή εξίσωση που διέπει όλα τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια.

«Τα Fractons δεν ταιριάζουν σε αυτό το πλαίσιο. Επομένως, η άποψή μου είναι ότι το πλαίσιο είναι ελλιπές», είπε ο Seiberg.

Υπάρχουν και άλλοι καλοί λόγοι για να πιστεύουμε ότι η κβαντική θεωρία πεδίου είναι ελλιπής - για ένα πράγμα, μέχρι στιγμής αποτυγχάνει να εξηγήσει τη δύναμη της βαρύτητας. Εάν μπορούν να καταλάβουν πώς να περιγράψουν τα φρακτόνια στο πλαίσιο της κβαντικής θεωρίας πεδίου, ο Seiberg και άλλοι θεωρητικοί προβλέπουν νέες ενδείξεις για μια βιώσιμη θεωρία κβαντικής βαρύτητας.

«Η διακριτικότητα των Fractons είναι δυνητικά επικίνδυνη, καθώς μπορεί να καταστρέψει ολόκληρη τη δομή που ήδη έχουμε», είπε ο Seiberg. "Αλλά είτε λες ότι είναι πρόβλημα είτε λες ότι είναι ευκαιρία."

Αυτός και οι συνάδελφοί του αναπτύσσουν νέες θεωρίες κβαντικού πεδίου που προσπαθούν να περιλάβουν το παράξενο των φρακτονίων επιτρέποντας κάποια διακριτή συμπεριφορά πάνω από ένα θεμέλιο συνεχούς χωροχρόνου.

«Η κβαντική θεωρία πεδίου είναι μια πολύ λεπτή δομή, επομένως θα θέλαμε να αλλάξουμε τους κανόνες όσο το δυνατόν λιγότερο», είπε. "Περπατάμε σε πολύ λεπτό πάγο, ελπίζοντας να φτάσουμε στην άλλη πλευρά."