Почти магическая тайна квазичастиц

Зоопарк спонтанно возникающих частицеподобных сущностей, известных как квазичастицы, быстро разрастался и становился все более и более экзотическим. Вот несколько наиболее любопытных и потенциально полезных примеров.

Томас Льютон

Очнувшись в альтернативной реальности, Гарри Ким, офицер на борту космического корабля USS Voyager, создает искажение в пространственно-временном континууме с помощью поляронного луча. Звучит как научная фантастика? Ну да, но только частично.

«Раньше в « Звездном пути » любили брать названия реальных квазичастиц и приписывать им магические свойства , — сказал Дуглас Нательсон , физик из Университета Райса в Техасе, чья работа заключается в создании реальных квазичастиц с почти магическими свойствами.

Квазичастицы - это частицы. Запрещенные входу в эксклюзивный клуб 17 «фундаментальных» частиц , которые считаются строительными блоками всей материальной реальности, квазичастицы возникают в результате сложных взаимодействий между огромным количеством этих фундаментальных частиц. Физики могут взять твердое тело, жидкость или плазму, состоящую из огромного количества частиц, подвергнуть их воздействию экстремальных температур и давлений и описать получившуюся систему как несколько прочных частицеподобных сущностей. Возникающие квазичастицы могут быть достаточно стабильными с четко определенными свойствами, такими как масса и заряд.

Например, поляроны, открытые Львом Ландау в 1933 году и получившие эпизодическую роль в сериале «Звездный путь: Вояджер» в 1995 году, материализуются, когда внутри кристалла оказывается захвачено много электронов. Толкание и притяжение между каждым электроном и всеми частицами в его окружении «одевают» электрон так, что он действует как квазичастица с большей массой.

В других типах конденсированного вещества, которые доминировали в исследованиях в течение последних нескольких десятилетий, все становится намного страннее. Исследователи могут создавать квазичастицы, которые имеют точную долю заряда или спина электрона (своего рода собственный угловой момент). Как появляются эти экзотические свойства, до сих пор неясно. «Это буквально похоже на волшебство», — сказал Санкар Дас Сарма , специалист по физике конденсированных сред из Мэрилендского университета.

Используя интуицию, обоснованные догадки и компьютерное моделирование, физики конденсированного состояния стали лучше выяснять, какие квазичастицы теоретически возможны. Тем временем в лаборатории, пока физики доводят новые материалы до новых пределов, зоопарк квазичастиц быстро разрастается и становится все более и более экзотическим. «Это действительно выдающееся интеллектуальное достижение, — сказал Нательсон.

Недавние открытия включают пи-тоны , неподвижные фрактоны и деформированные ринклоны . «Теперь мы думаем о квазичастицах со свойствами, о которых раньше и не мечтали», — сказал Стив Саймон , физик-теоретик конденсированных сред из Оксфордского университета.

Вот несколько самых любопытных и потенциально полезных квазичастиц.

Одной из первых открытых квазичастиц была «дырка»: просто отсутствие электрона в том месте, где он должен существовать. В 1940-х годах физики обнаружили, что дырки прыгают внутри твердых тел подобно положительно заряженным частицам. Еще более странными — и потенциально очень полезными — являются гипотетические майорановские квазичастицы, обладающие раздвоением личности: они наполовину электрон и наполовину дырка одновременно. «Это такое безумие, — сказал Дас Сарма.

В 2010 году Дас Сарма и его сотрудники утверждали, что квазичастицы Майораны можно использовать для создания квантовых компьютеров . Когда вы перемещаете электрон и дырку вокруг друг друга, они сохраняют информацию, как узор, сплетенный в две веревки. Различные повороты соответствуют единицам, нулям и суперпозициям единиц и нулей, которые являются битами квантовых вычислений.

Попытки построить эффективные квантовые компьютеры до сих пор терпели неудачу, потому что квантовые суперпозиции большинства типов частиц распадаются, когда они становятся слишком горячими или сталкиваются с другими частицами. Для майорановских квазичастиц это не так. Их необычный состав наделяет их нулевой энергией и нулевым зарядом, и это теоретически позволяет им существовать глубоко внутри сверхпроводника определенного типа, материала, проводящего электричество без сопротивления. Никакие другие частицы не могут существовать там, создавая «пробел», который делает невозможным распад Майораны. «Сверхпроводящая щель защищает Майорану», — сказал Дас Сарма — по крайней мере, в теории.

С 2010 года экспериментаторы стремились создать настоящие майорановские квазичастицы из сложной сборки сверхпроводника, нанопроволоки и магнитного поля. В 2018 году одна группа исследователей сообщила в журнале Nature , что они наблюдали ключевые сигнатуры Майорана. Но сторонние эксперты поставили под сомнение аспекты анализа данных, и в марте 2021 года документ был отозван .

Одно дело придумать возможную квазичастицу, а другое — наблюдать ее в эксперименте, где температура близка к абсолютному нулю, образцы строятся атом за атомом, а мельчайшие примеси могут все пустить под откос.

Дас Сарма непоколебим. «Я гарантирую, что Майорану увидят, потому что ее теория безупречна. Это инженерная проблема; это не проблема физики», — сказал он.

Растущий зоопарк квазичастиц с его множеством необычных персонажей предлагает физикам инструментарий, с помощью которого они могут создавать аналоги других систем, доступ к которым затруднен или невозможен, таких как черные дыры.

«С этими аналогами мы хотим исследовать физику, которую мы не можем коснуться руками», — сказал Максим Жаке из лаборатории Кастлера-Бросселя Сорбоннского университета в Париже.

Черные дыры образуются в космосе везде, где гравитация становится настолько сильной, что даже свет не может вырваться. Вы можете сделать простой аналог черной дыры , вытащив пробку из ванны и наблюдая, как вода стекает в канализацию: волны воды, которые подходят слишком близко к канализации, неизбежно затягиваются в водоворот. Вы можете сделать еще лучший аналог — как это делают Жаке и его сотрудники — с помощью квазичастиц, называемых поляритонами .

Поляритоны — это смесь материи и света. Исследователи используют два зеркала, чтобы поймать фотон внутри клетки, которая также содержит экситон, представляющий собой своего рода квазичастицу, состоящую из электрона и дырки, вращающихся вокруг друг друга. (Экситон отличается от майорановской квазичастицы, которая представляет собой наполовину электрон и наполовину дырку в одном и том же месте в одно и то же время). фотон смешивается с экситоном, образуя поляритон. Многие фотоны и экситоны заключены и объединены таким образом, и эти поляритоны ведут себя в массе подобно жидкому свету, который не имеет трения и не рассеивается. Исследователи спроектировали поток этих поляритонов, чтобы имитировать движение света вокруг черной дыры.

Жидкий свет нестабилен, и в конце концов фотон ускользает. Именно эта дырявая клетка позволяет Жаке изучать эволюцию черных дыр со временем. Лауреат Нобелевской премии по физике-математику Роджер Пенроуз предположил, что вращающиеся черные дыры могут терять энергию и постепенно замедляться; Жаке планирует проверить эту идею с помощью поляритонов.

«Никто не может сказать вам об этом с помощью астрофизики, но мы можем», — сказал Жаке, признав, что это «скачок» от лабораторных экспериментов к тому, что происходит с настоящими черными дырами.

Если квазичастица может распасться, то в конце концов она распадется. Например, магнон — квазичастица, состоящая из битов магнитного поля, движущихся по материалу, — может распасться на два других магнона, если энергия этих продуктов не превышает энергию исходного магнона.

Тем не менее, квазичастицы довольно стабильны, предположительно, по двум причинам: они возникают из систем, которые поддерживаются при очень низких температурах, поэтому изначально они обладают небольшой энергией, и они слабо взаимодействуют друг с другом, так что существует мало возмущений, вызывающих их срабатывание. разлагаться. «Когда есть много толчка и тяги, наивное ожидание состояло в том, что распад будет происходить быстрее», — сказал Рубен Верресен , физик по конденсированным средам из Гарвардского университета.

Но исследование Верресена перевернуло эту картину с ног на голову. В статье, опубликованной в 2019 году, он и его коллеги описали, как они теоретически моделировали распадающиеся квазичастицы, а затем постепенно увеличивали силу взаимодействия между ними, чтобы увидеть, что произошло. Сначала квазичастицы, как и ожидалось, распадались быстрее. Но затем, к удивлению Верресена, когда сила взаимодействия стала очень большой, квазичастицы отскочили назад. «Внезапно у вас снова появляется бесконечно долгоживущая квазичастица», — сказал он.

Затем команда провела компьютерное моделирование, изучая поведение сверххолодного магнита, и они увидели появление магнонов, которые не распались. Они показали, что их новое понимание сильно взаимодействующих квазичастиц может объяснить некоторые загадочные особенности, наблюдаемые в экспериментах с магнонами в 2017 году . Эти вечные магноны — не просто изящная теория, они реализованы в природе.

Полученные данные свидетельствуют о том, что квазичастицы могут быть гораздо более надежными, чем считали исследователи. Грань между частицей и квазичастицей стирается. «Я не вижу принципиальной разницы, — сказал Верресен.

Квазичастицы возникают из расположения многих частиц. Но то, что мы называем фундаментальными частицами, такими как кварки, фотоны и электроны, может быть не таким элементарным, как мы думаем. Некоторые физики подозревают, что эти кажущиеся фундаментальными частицы тоже возникают, хотя из чего именно, никто не может сказать.

«Мы не знаем фундаментальной теории, из которой на самом деле возникают электроны, фотоны и так далее. Мы считаем, что существует некая объединяющая структура», — сказал Леон Баленц , теоретик, изучающий квантовые состояния материи в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. «Вещи, которые мы считаем фундаментальными частицами, вероятно, не являются фундаментальными; они квазичастицы какой-то другой теории».

источник: