別の現実で目を覚ますと、宇宙船 USS ボイジャーに乗っている将校であるハリー キムは、ポーラロンのビームで時空の連続体に歪みを作り出します。サイエンスフィクションのように聞こえますか？はい、一部だけです。
「スタートレック テキサスのライス大学の物理学者で、魔法に近い性質を持つ実際の準粒子を作成する仕事をしている Douglas Natelson は言いました。
準粒子は粒子の一種です。すべての物質的現実の構成要素であると考えられている 17 の「基本」粒子の排他的なクラブからの参入を禁止された準粒子は、それらの膨大な数の基本粒子間の複雑な相互作用から出現します。物理学者は、膨大な数の粒子でできた固体、液体、またはプラズマを取り、それを極端な温度と圧力にさらし、結果として得られるシステムをいくつかの堅牢な粒子のような実体として説明できます。出現する準粒子は、質量や電荷などの明確に定義された特性を持ち、非常に安定している可能性があります。
たとえば、ポラロンは 1933 年にレフ ランダウによって発見され、スタートレック:ヴォイジャー にカメオ出演しました。 1995年、結晶内に多くの電子が閉じ込められて物質化。各電子とその環境内のすべての粒子の間のプッシュとプルは、電子をより大きな質量を持つ準粒子のように振る舞うように「ドレスアップ」します。
過去数十年にわたって研究を支配してきた他の種類の凝縮物質では、事態はさらに奇妙になります。研究者は、電子の電荷またはスピン (固有の角運動量の一種) の正確な割合を持つ準粒子を作成できます。これらのエキゾチックな特性がどのように出現するかはまだわかっていません。 「文字通り魔法のようなものです」と、メリーランド大学の凝縮物質物理学者である Sankar Das Sarma 氏は述べています。
直感、知識に基づく当て推量、およびコンピューター シミュレーションを使用して、凝縮系物理学者はどの準粒子が理論的に可能であるかを理解することに長けています。一方、研究室では、物理学者が新しい物質を新たな極限まで推し進めているため、準粒子動物園が急速に成長し、ますますエキゾチックになっています。 「これは本当に知的業績として高く評価されています」と Natelson 氏は述べています。
最近の発見には、ピトン、不動のフラクトン、ゆがんだしわなどがあります。オックスフォード大学の理論的凝縮物質物理学者であるスティーブ・サイモンは、次のように述べています。
最も興味深く、潜在的に有用な準粒子のいくつかを以下に示します。
マヨラナによる量子コンピューティング
発見された最も初期の準粒子の 1 つは「穴」でした。電子が存在すべき場所に電子が存在しないことです。 1940 年代の物理学者は、正に帯電した粒子のように、正孔が固体の内部を飛び回ることを発見しました。さらに奇妙で、非常に有用な可能性があるのは、仮説に立てられたマヨラナ準粒子です。これは、分裂した性格を持っています。これらは、同時に半分が電子で半分が正孔です。 「それはとてもクレイジーなことです」とダス・サルマは言いました。
2010 年、Das Sarma と彼の共同研究者は、マヨラナ準粒子を使用して量子コンピューターを作成できると主張しました。電子と正孔を互いの周りに移動させると、2 本のロープを編んだパターンのように情報が保存されます。異なるツイストは、量子計算のビットである 1、0、および 1 と 0 の重ね合わせに対応します。
ほとんどの種類の粒子の量子重ね合わせは、粒子が熱くなりすぎたり、他の粒子と衝突したりすると崩壊するため、効果的な量子コンピューターを構築する努力はこれまでのところ失敗に終わっています。マヨラナ準粒子の場合はそうではありません。それらの異常な組成は、それらにゼロエネルギーとゼロ電荷を与えます。これにより、理論的には、抵抗なしで電気を伝導する物質である特定のタイプの超伝導体の奥深くに存在することができます.そこには他の粒子は存在できず、マヨラナが崩壊するのを不可能にする「ギャップ」を作り出します。 「超伝導ギャップはマヨラナを保護します」とダス・サルマは言いました — 少なくとも理論的には.
2010 年以来、実験家たちは、超伝導体、ナノワイヤ、および磁場の複雑な集合体から実際のマヨラナ準粒子を構築しようと競い合ってきました。 2018 年、ある研究グループが Nature で報告しました 彼らはマヨラナの調号を観察した。しかし、外部の専門家はデータ分析の側面に疑問を呈し、今月初めに論文は撤回されました.
可能性のある準粒子を考え出すことと、温度が絶対零度に近く、サンプルが原子ごとに構築され、小さな不純物がすべてを狂わせる可能性がある実験でそれを観察することは別のことです.
ダス・サルマは動揺しません。 「マヨラナが見られることを保証します。なぜなら、その理論は手付かずだからです。これはエンジニアリングの問題です。これは物理的な問題ではありません」と彼は言いました。
ポラリトンでできたブラックホール
成長を続ける準粒子動物園は、珍しいキャラクターの配列で物理学者にツールキットを提供し、ブラック ホールなど、アクセスが困難または不可能な他のシステムの類似物を構築できます。
パリのソルボンヌ大学の Kastler-Brossel Laboratory の Maxime Jacquet は、次のように述べています。
重力が強すぎて光さえも逃れられなくなった宇宙では、ブラックホールが形成されます。浴槽のプラグを抜いて、水が排水管を渦巻くのを見ると、単純なブラック ホールの類似物を作ることができます。 Jacquet と彼の共同研究者が行っているように、ポラリトンと呼ばれる準粒子を使用して、さらに優れたアナログを作成できます。
ポラリトンは、物質と光の混合物です。研究者は 2 つのミラーを使用して、励起子を含むケージ内に光子を閉じ込めます。ケージ自体は、互いに軌道を回る電子と正孔で構成される一種の準粒子です。 （励起子は、半分の電子と半分の正孔が同時に同じ場所にあるマヨラナ準粒子とは異なります。）光子は、逃げる前に鏡の間を約 100 万回往復します。光子は励起子と混ざり合ってポラリトンを形成します。多くの光子と励起子がこのようにケージに入れられて結合され、これらのポラリトンは、摩擦がなく散乱しない液体光のようにまとめて動作します。研究者は、これらのポラリトンの流れを設計して、ブラック ホールの周りの光の動きを模倣しました。
液体の光は安定しておらず、最終的には光子が逃げてしまいます。ジャケがブラックホールが時間とともにどのように進化するかを研究できるのは、この漏れやすいケージです。ノーベル賞を受賞した数理物理学者のロジャー ペンローズは、回転するブラック ホールがエネルギーを失い、徐々に減速する可能性があると理論付けました。 Jacquet は、このアイデアをポラリトンでテストする予定です。
「天体物理学では誰もあなたにそれを言うことはできませんが、私たちはできます」とJacquetは言い、これらの実験室実験から実際のブラックホールの進行への「飛躍」であることを認めました.
永遠のマグノン
準粒子が崩壊できる場合、最終的には崩壊します。たとえば、マグノン — 材料全体で動いている磁場のビットから作られた準粒子 — は、これらの生成物のエネルギーが元のマグノンよりも大きくない限り、他の 2 つのマグノンに崩壊する可能性があります。
しかし、準粒子はかなり安定しており、それにはおそらく 2 つの理由があります。準粒子は、非常に低温に保たれた系から出てくるため、最初はほとんどエネルギーを持たず、互いに弱くしか相互作用しないため、相互作用を引き起こす擾乱はほとんどありません。減衰。ハーバード大学の物性物理学者であるルーベン・ベレセンは、「多くの押し引きがあれば、崩壊はより速く起こるという単純な予想でした」と述べています。
しかし、Verresen の研究はその状況をひっくり返しました。 2019 年に発表された論文で、彼と彼の同僚は、崩壊する準粒子を理論的にモデル化し、それらの間の相互作用の強度を徐々に上げて何が起こったかを確認した方法を説明しました。最初は予想通り、準粒子はより急速に崩壊しました。しかし、Verresen が驚いたことに、相互作用の強度が非常に強くなると、準粒子は跳ね返った。 「突然、無限に長生きする準粒子が再び発生します」と彼は言いました。
次に、チームは超低温磁石の挙動を調査するコンピューター シミュレーションを実行し、崩壊しなかったマグノンが出現するのを見ました。彼らは、強く相互作用する準粒子に関する彼らの新しい理解が、2017 年のマグノン実験で見られたいくつかの不可解な特徴を説明できることを示しました。きちんとした理論以上に、これらの永遠のマグノンは自然界で実現されています。
この発見は、準粒子が研究者がかつて考えていたよりもはるかに堅牢である可能性があることを示唆しています。粒子と準粒子の境界線があいまいになりつつあります。 「根本的な違いはわかりません」と Verresen 氏は述べています。
準粒子は、多くの粒子の配列から発生します。しかし、クォーク、光子、電子などの素粒子と呼ばれるものは、私たちが考えるほど素粒子ではないかもしれません。何人かの物理学者は、これらの明らかに基本的な粒子も同様に創発的であると疑っていますが、正確には誰にも言えません.
「電子や光子などが実際に発生する基本的な理論はわかっていません。何らかの統一的な枠組みがあると信じています」と、カリフォルニア大学サンタバーバラ校で物質の量子状態を研究している理論家のレオン・バレンツは述べています。 「私たちが素粒子と考えているものは、おそらく素粒子ではありません。それらは他の理論の準粒子です。」
訂正:2021 年 3 月 24 日
Maxime Jacquet が昨年まで勤務していたウィーン大学ではなく、パリのソルボンヌ大学の Kastler-Brossel Laboratory に所属していることを反映して、ブログの投稿が修正されました。
