Самая «странная» материя, состоящая из частичных частиц, не поддается описанию

наш стол состоит из отдельных отдельных атомов, но издалека его поверхность кажется гладкой. Эта простая идея лежит в основе всех наших моделей физического мира. Мы можем описать происходящее в целом, не увязая в сложных взаимодействиях между каждым атомом и электроном.

Поэтому, когда было открыто новое теоретическое состояние материи, микроскопические черты которого упорно сохраняются на всех масштабах, многие физики отказывались верить в его существование.

«Когда я впервые услышал о фрактонах, я сказал, что это никак не может быть правдой, потому что это полностью противоречит моему предубеждению о том, как ведут себя системы», — сказал Натан Зайберг , физик-теоретик из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. "Но я был неправ. Я понял, что жил в отрицании».

Теоретическая возможность фрактонов удивила физиков в 2011 году . Недавно эти странные состояния материи привели физиков к новым теоретическим основам, которые могли бы помочь им решить некоторые из самых серьезных проблем фундаментальной физики.

Фрактоны — это квазичастицы — подобные частицам объекты, возникающие в результате сложных взаимодействий между множеством элементарных частиц внутри материала. Но фрактоны причудливы даже по сравнению с другими экзотическими квазичастицами , потому что они полностью неподвижны или способны двигаться лишь ограниченно. В их среде нет ничего, что мешало бы фрактонам двигаться; скорее это их неотъемлемое свойство. Это означает, что микроскопическая структура фрактонов влияет на их поведение на больших расстояниях.

«Это просто шокирует. Для меня это самая странная фаза материи», — сказал Се Чен , специалист по теории конденсированных сред из Калифорнийского технологического института.

Частичные частицы

В 2011 году Чонван Хаа , в то время аспирант Калифорнийского технологического института, искал необычные фазы вещества, которые были бы настолько стабильны, что их можно было бы использовать для защиты квантовой памяти даже при комнатной температуре. Используя компьютерный алгоритм, он открыл новую теоретическую фазу, которую назвали кодом Хааха. Фаза быстро привлекла внимание других физиков из-за составляющих ее странно неподвижных квазичастиц.

По отдельности они казались простыми частицами, способными двигаться только вместе. Вскоре было обнаружено больше теоретических фаз с аналогичными характеристиками, и поэтому в 2015 году Хаах вместе с Сагаром Виджаем и Лян Фу ввел термин «фрактоны» для странных парциальных квазичастиц. (Ранее, но пропущенная статья Клаудио Шамона теперь считается первоначальным открытием поведения фрактона.)

Чтобы увидеть, что такого исключительного во фрактонных фазах, рассмотрим более типичную частицу, такую ​​как электрон, свободно движущийся через материал. Странный, но привычный для некоторых физиков способ понимания этого движения состоит в том, что электрон движется, потому что пространство заполнено электронно-позитронными парами, которые то возникают, то исчезают. Одна такая пара появляется так, что позитрон (противоположно заряженная античастица электрона) оказывается сверху исходного электрона, и они аннигилируют*. При этом остается электрон из пары, смещенный от исходного электрона. Поскольку нет никакого способа различить два электрона, все, что мы воспринимаем, — это движение одного электрона.

«Для меня это самая странная фаза материи», — сказал Се Чен , специалист по теории конденсированных сред из Калифорнийского технологического института.

Теперь вместо этого представьте, что пары частиц и античастиц не могут возникнуть из вакуума, а только их квадраты. В этом случае может возникнуть квадрат, так что одна античастица лежит поверх исходной частицы, аннулируя этот угол. Затем из вакуума выскакивает второй квадрат, так что одна из его сторон аннигилирует* со стороной первого квадрата. Это оставляет позади противоположную сторону второго квадрата, также состоящую из частицы и античастицы. Результирующее движение — это движение пары частица-античастица, движущейся боком по прямой. В этом мире — примере фрактонной фазы — движение одной частицы ограничено, но пара может двигаться легко.

Код Хааха доводит это явление до крайности: частицы могут двигаться только тогда, когда новые частицы вызываются в бесконечных повторяющихся узорах, называемых фракталами. Скажем, у вас есть четыре частицы, расположенные в виде квадрата, но когда вы приближаете каждый угол, вы видите еще один квадрат из четырех частиц, расположенных близко друг к другу. Снова увеличьте угол, и вы найдете еще один квадрат, и так далее. Чтобы такая структура материализовалась в вакууме, требуется столько энергии, что фрактон такого типа невозможно сдвинуть. Это позволяет хранить очень стабильные кубиты — биты квантовых вычислений — в системе, поскольку окружающая среда не может нарушить хрупкое состояние кубитов.

Из-за неподвижности фрактонов очень сложно описать их как гладкий континуум издалека. Поскольку частицы обычно могут двигаться свободно, если вы подождете достаточно долго, они придут в состояние равновесия, определяемое объемными свойствами, такими как температура или давление. Исходные местоположения частиц перестают иметь значение. Но фрактоны застревают в определенных точках или могут двигаться только в комбинации по определенным линиям или плоскостям. Описание этого движения требует отслеживания различных местоположений фрактонов, поэтому фазы не могут избавиться от своего микроскопического характера или подчиниться обычному континуальному описанию.

Их непоколебимое микроскопическое поведение делает «сложной задачу представить себе примеры фрактонов и глубоко задуматься о том, что возможно», — сказал Виджай, теоретик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. «Без непрерывного описания, как мы можем определить эти состояния материи?»

«Мы многое упускаем из виду, — сказал Чен. «Мы понятия не имеем, как их описать и что они означают».

Новая структура Fracton

Фрактоны еще предстоит создать в лаборатории, но это, вероятно, изменится. Было показано, что некоторые кристаллы с неподвижными дефектами математически подобны фрактонам . И теоретический ландшафт фрактонов развернулся сверх того, что кто-либо ожидал, с появлением новых моделей каждый месяц.

«Вероятно, в ближайшем будущем кто-то воспримет одно из этих предложений и скажет: «Хорошо, давайте проведем какой-нибудь героический эксперимент с холодными атомами и точно реализуем одну из этих фрактонных моделей», — сказал Брайан Скиннер , специалист по физике конденсированных сред из Университета штата Огайо. кто разработал фрактонные модели.

«Фрактоны не вписываются в рамки

Даже без их экспериментальной реализации сама по себе теоретическая возможность фрактонов насторожила Зайберга, ведущего специалиста по квантовой теории поля, теоретической основе, в которой в настоящее время описываются почти все физические явления.

Квантовая теория поля описывает дискретные частицы как возбуждения в непрерывных полях, простирающихся в пространстве и времени. Это самая успешная из когда-либо обнаруженных физических теорий, и она включает в себя Стандартную модель физики элементарных частиц — впечатляюще точное уравнение, управляющее всеми известными элементарными частицами.

«Фрактоны не укладываются в эти рамки. Поэтому я считаю, что структура неполна», — сказал Зайберг.

Есть и другие веские причины считать квантовую теорию поля неполной — во-первых, она пока не может объяснить силу гравитации. Если они смогут понять, как описывать фрактоны в рамках квантовой теории поля, Зайберг и другие теоретики предвидят новые подсказки к жизнеспособной теории квантовой гравитации.

«Дискретность фрактонов потенциально опасна, поскольку может разрушить всю структуру, которая у нас уже есть», — сказал Зайберг. «Но либо вы говорите, что это проблема, либо вы говорите, что это возможность».

Он и его коллеги разрабатывают новые теории квантового поля, которые пытаются охватить странность фрактонов, допуская некоторое дискретное поведение поверх основы непрерывного пространства-времени.

«Квантовая теория поля — очень тонкая структура, поэтому мы хотели бы как можно меньше менять правила», — сказал он. «Мы идем по очень тонкому льду, надеясь перебраться на другую сторону».

Главное изображение: это моделирование показывает, как можно ожидать, что материал, заполненный фрактонами, будет рассеивать пучок нейтронов. Авторы и права: Х. Ян и др., Physical Review Letters

Теоретики сходят с ума по поводу «фрактонов», причудливых, но потенциально полезных гипотетических частиц, которые могут двигаться только в сочетании друг с другом.

источник: