過去数年間で、いくつかの材料が物理学者の遊び場であることが証明されました。これらの物質は特別なものではなく、陽子、中性子、電子などの通常の粒子でできています。しかし、それらはそれらの部分の合計以上のものです。これらの材料は、さまざまな顕著な特性と現象を誇り、物理学者を、私たちが最もよく知っている固体、気体、および液体の相を超えて、物質の新しい相に導くことさえあります.
物理学者を特に興奮させる物質のクラスの 1 つは、トポロジカル絶縁体です。さらに広く言えば、トポロジカル相であり、その理論的基盤により、発見者は 2016 年にノーベル賞を受賞しました。トポロジカル絶縁体の表面では、電子はスムーズに流れますが、内部では、電子は不動です。したがって、その表面は金属のような導体ですが、内部はセラミックのような絶縁体です。トポロジカル絶縁体は、電子のスピンと電荷を利用する量子コンピューターやいわゆるスピントロニクス デバイスでの使用の可能性だけでなく、その異常な物理学にも注目されています。
しかし、そのような風変わりな行動は、常に明白であるとは限りません。マサチューセッツ工科大学の物理学者であり、2004 年のノーベル物理学賞を受賞したフランク ウィルチェクは、次のように述べています。>
これは、一見普通の素材の多くが、隠された、しかし珍しい、おそらく有用な特性を秘めている可能性があることを意味します。最近オンラインに投稿された論文で、Wilczek と ストックホルム大学の物理学者である Qing-Dong Jiang は、そのような特性を発見する新しい方法を提案しています:材料を取り囲む薄いオーラを調査することによって、彼らは量子大気と呼んでいます.
物質の基本的な量子特性の一部がこの大気で明らかになり、物理学者はそれを測定することができました。実験で確認された場合、この現象は量子力学の数少ない巨視的な結果の 1 つになるだけでなく、一連の新しい材料を探索するための強力なツールになる可能性があると Wilczek 氏は述べています。
イリノイ大学アーバナ シャンペーン校の凝縮系理論家であるテイラー ヒューズ氏は、次のように述べています。しかし、「その影響は非常に小さいと思います」と彼は付け加えました。しかし、新しい分析では、Jiang と Wilczek は、原則として、量子大気効果は十分に検出可能な範囲内にあると計算しました。
それだけでなく、そのような影響を検出することは、遅かれ早かれ達成されるかもしれない.
影響力のあるゾーン
Wilczek 氏によると、量子大気は、物質の周囲に影響を与える薄い領域です。量子力学によれば、真空は完全に空ではありません。むしろ、それは量子ゆらぎで満たされています。たとえば、荷電していない 2 つのプレートを真空中で一緒にすると、プレート間の距離よりも短い波長の量子ゆらぎだけがそれらの間を圧迫することができます。ただし、プレートの外側では、すべての波長の変動が収まります。外側のエネルギーは内側よりも大きくなり、プレートを一緒に押す正味の力が生じます。カシミール効果と呼ばれるこの現象は、量子大気からの影響に似ていると Wilczek 氏は述べています。
プレートが別のプレートに近づくとより強い力を感じるように、針状のプローブは物質に近づくと量子大気の影響を感じます。 「どんな雰囲気でも同じです」と Wilczek 氏は言います。 「それに近づくと、その影響が見え始めます。」そして、その影響の性質は、材料自体の量子特性に依存します.
これらの特性は並外れたものになる可能性があります。特定の物質は、最近物質多元宇宙と呼ばれるものを構成しているかのように、独自の物理法則を持つ独自の宇宙のように機能します。ジョンズ・ホプキンス大学の凝縮物質物理学者であるピーター・アーミテージは、次のように述べています。 /P>
たとえば、一部の材料には、磁気単極子として機能するオブジェクトが含まれています。これは、N 極を持ち、S 極を持たない点のような磁石です。物理学者はまた、分数電荷を持ついわゆる準粒子と、自分自身を消滅させる能力を持つ、それ自身の反物質として機能する準粒子を検出しました.
同様にエキゾチックな特性が他の物質に存在する場合、それらは量子大気で明らかになる可能性があります。原理的には、材料の雰囲気を調べるだけで、あらゆる種類の新しい特性を発見できると Wilczek 氏は述べています。
彼らのアイデアを実証するために、Jiang と Wilczek は、ユニークな特性を生み出す可能性のあるアクシオン電気力学と呼ばれる非正統的な一連の規則に注目しました。 Wilczek は 1987 年にこの理論を思いつき、アクシオンと呼ばれる仮説上の粒子がどのように電気や磁気と相互作用するかを説明しました。 (物理学者は以前、物理学の最大の未解決の問題の 1 つに対する解決策としてアクシオンを提案していました:粒子が反粒子と交換され、鏡に反射され、いわゆる電荷対称性とパリティ対称性が維持されている場合でも、強い力を含む相互作用が同じである理由.) アクシオンが暗黒物質の候補として最近新たな関心を集めているにも関わらず、今日に至るまで、アクシオンが存在するという証拠は発見されていません.
これらのルールは、ほとんどの宇宙では有効ではないように見えますが、トポロジカル絶縁体などの物質の内部で機能することがわかっています。 「電磁場がトポロジカル絶縁体と呼ばれるこれらの新しい種類の物質と相互作用する方法は、基本的にアクシオンの集合と相互作用する方法と同じです」と Wilczek 氏は述べています。
ダイヤモンドの欠陥
トポロジカル絶縁体などの材料がアクシオンの電気力学に従う場合、その量子雰囲気は、大気に侵入するものすべてに明確な効果を誘発する可能性があります。 Jiang と Wilczek は、そのような効果が磁場の効果に似ていると計算しました。特に、大気中に原子または分子のシステムを配置すると、それらの量子エネルギーレベルが変化することがわかりました。研究者は、標準的な実験技術を使用して、これらの変更されたレベルを測定できます。 「型にはまらないアイデアですが、非常に興味深いアイデアです」とアーミテージは言いました。
そのような潜在的なシステムの 1 つは、窒素空孔 (NV) センターと呼ばれる機能が染み込んだダイヤモンド プローブです。 NV センターは、ダイヤモンドの結晶構造における一種の欠陥であり、ダイヤモンドの炭素原子の一部が窒素原子と交換され、窒素に隣接するスポットが空になっています。この系の量子状態は非常に敏感で、NV センターは非常に弱い磁場でさえ嗅ぎ分けることができます。この特性により、地質学や生物学のさまざまな用途に使用できる強力なセンサーになります。
「これは原理の優れた証明です」と Hughes 氏は述べています。 1 つのアプリケーションは、材料の特性をマッピングすることである可能性がある、と彼は付け加えました。トポロジカル絶縁体のような材料に NV 中心を通過させることで、その特性が表面に沿ってどのように変化するかを判断できます。
Physical Review Letters に提出した Jiang と Wilczek の論文 、アクシオンの電気力学から導き出された量子大気の影響のみを詳しく説明しています。他の種類の特性が大気にどのように影響するかを判断するには、別の計算を行う必要があると Wilczek は言いました。
対称性の破れ
基本的に、量子大気が明らかにする特性は対称性です。物質のさまざまな相、および相に固有の特性は、対称性の観点から考えることができます。たとえば、固体結晶では、原子は対称格子に配置され、シフトまたは回転して同一の結晶パターンを形成します。しかし、熱を加えると結合が壊れ、格子構造が崩壊し、材料 (今では著しく異なる特性を持つ液体) は対称性を失います。
物質は、ほとんどの物理法則が従う時間反転対称性など、他の基本的な対称性を破ることができます。または、鏡で見ると現象が異なる可能性があり、パリティ対称性の違反です。
これらの対称性が材料で破られているかどうかは、これまで知られていなかった相転移と潜在的にエキゾチックな特性を意味する可能性があります。ある種の対称性が破れた物質は、その量子大気内にあるプローブで同じ違反を引き起こすだろう、と Wilczek は言った。たとえば、アクシオン電気力学に準拠する材料では、時間対称性とパリティ対称性はそれぞれ破られますが、2 つの組み合わせは壊れません。物質の大気を調べることで、それがこの対称性を破るパターンに従っているかどうか、どの程度に従っているか、そしてどのような奇妙な振る舞いをしているかを知ることができると彼は言いました.
「いくつかの物質は、私たちが知らなかった、そして私たちが疑っていなかった対称性をひそかに破っています」と彼は言いました. 「彼らはとても無邪気に見えますが、どういうわけか秘密裏に隠れています。」
Wilczek 氏は、このアイデアのテストに関心を持っている実験者とすでに話し合っていると語った。さらに、実験は容易に実行可能であり、できれば数年ではなく、数週間または数か月で実現するはずだと彼は言いました.
すべてがうまくいけば、「量子大気」という用語が物理学の辞書に永久に定着する可能性があります。 Wilczek は以前に、アクシオン、エニオン (量子コンピューティングに役立つ可能性のある準粒子)、タイム クリスタル (エネルギーを使用せずに規則的かつ反復的なパターンで移動する構造) などの用語を作り出しました。アーミテージ氏によると、彼には定着する名前を考え出すという優れた実績があります。 「『量子大気』も良い例です。」
