デスクは個々の異なる原子で構成されていますが、遠くから見るとその表面は滑らかに見えます。この単純なアイデアは、物理世界のすべてのモデルの中核です。すべての原子と電子の間の複雑な相互作用に行き詰まることなく、全体的に何が起こっているかを説明できます。
そのため、物質の新しい理論的状態が発見され、その微視的特徴がすべてのスケールで頑固に持続するとき、多くの物理学者はその存在を信じることを拒否しました.
ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所の理論物理学者である Nathan Seiberg は、次のように述べています。 "しかし、私は間違っていました。否定して生きてきたことに気づきました。」
フラクトンの理論的可能性は、2011 年に物理学者を驚かせました。最近、物質のこれらの奇妙な状態により、物理学者は、基礎物理学の最も厄介な問題のいくつかに取り組むのに役立つ可能性のある新しい理論的枠組みに導かれています。
フラクトンは準粒子 — 材料内の多くの素粒子間の複雑な相互作用から生じる粒子のような実体です。しかし、フラクトンは他のエキゾチックな準粒子と比較しても奇妙です。なぜなら、フラクトンは完全に動かないか、限られた方法でしか動けないからです。彼らの環境には、フラクトンの動きを止めるものは何もありません。むしろ、それは彼らの固有の財産です。これは、フラクトンの微視的構造が遠距離での挙動に影響を与えることを意味します。
「それはまったく衝撃的です。私にとって、これは物質の最も奇妙な段階です」と、カリフォルニア工科大学の凝縮物質理論家である Xie Chen 氏は述べています。
部分粒子
2011 年、当時カリフォルニア工科大学の大学院生だった Jeongwan Haah は、室温でも量子メモリを保護するために使用できる非常に安定した異常な物質相を探していました。彼はコンピュータ アルゴリズムを使用して、Haah コードと呼ばれるようになった新しい理論段階を見つけました。この相は、奇妙に不動の準粒子で構成されているため、すぐに他の物理学者の注目を集めました。
それらは、個々に、粒子の単なる断片のように見え、組み合わせてのみ動くことができました.すぐに、同様の特性を持つより多くの理論的相が発見されたため、2015 年に Haah は、Sagar Vijay と Liang Fu とともに、奇妙な部分準粒子を表す「フラクトン」という用語を作り出しました。 (Claudio Chamon による以前の見落とされていた論文が、現在、フラクトンの動作の最初の発見と見なされています。)
フラクトン相の何が非常に優れているかを理解するために、物質中を自由に移動する電子などのより典型的な粒子を考えてみましょう。一部の物理学者がこの動きを理解する奇妙だが慣習的な方法は、電子が移動するのは、空間が電子-陽電子のペアで満たされ、瞬間的に存在したり消えたりするためであるというものです。そのようなペアの 1 つが現れて、陽電子 (電子の反対に荷電された反粒子) が元の電子の上にあり、それらは消滅します。これにより、元の電子から移動したペアからの電子が残ります。 2 つの電子を区別する方法がないため、私たちが知覚するのは移動する 1 つの電子だけです。
代わりに、粒子と反粒子のペアが真空から発生することはできず、それらの正方形のみが発生すると想像してください。この場合、1 つの反粒子が元の粒子の上にあるように正方形が発生し、その角が消滅する可能性があります。次に、2 番目の正方形が真空から飛び出し、その側面の 1 つが最初の正方形の側面で消滅します。これにより、粒子と反粒子からなる 2 番目の正方形の反対側が残ります。結果として得られる運動は、直線上を横方向に移動する粒子と反粒子のペアの運動です。この世界 (フラクトン フェーズの例) では、1 つの粒子の動きは制限されていますが、ペアは簡単に動くことができます。
Haah コードはこの現象を極限まで進めています。粒子は、フラクタルと呼ばれる終わりのない繰り返しパターンで新しい粒子が呼び出された場合にのみ移動できます。正方形に配置された 4 つの粒子があるとしますが、各コーナーを拡大すると、4 つの粒子が互いに接近している別の正方形が見つかります。コーナーをもう一度拡大すると、別の正方形が見つかります。このような構造が真空中で実現するには非常に多くのエネルギーが必要なため、この種のフラクトンを動かすことは不可能です。これにより、環境が量子ビットの繊細な状態を乱すことができないため、非常に安定した量子ビット (量子コンピューティングのビット) をシステムに格納できます。
フラクトンは不動であるため、遠くから滑らかな連続体として記述することは非常に困難です。通常、粒子は自由に動くことができるため、十分に長く待つと、温度や圧力などのバルク プロパティによって定義される平衡状態になります。粒子の最初の位置は重要ではなくなります。しかし、フラクトンは特定の点で立ち往生しているか、特定の線または平面に沿ってのみ組み合わせて移動できます.この運動を記述するには、フラクトンの個別の位置を追跡する必要があるため、相が微視的な特徴を振り払ったり、通常の連続体の記述に従うことはできません。
彼らの断固たる微視的行動は、「フラクトンの例を想像し、何が可能かについて深く考えるのが難しい」と、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の理論家ビジェイは述べた。 「継続的な説明がなければ、これらの物質の状態をどのように定義するのでしょうか?」
「私たちは多くのことを見逃しています」とチェンは言いました。 「それらをどのように説明すればよいか、またその意味がわかりません。」
新しいフラクトン フレームワーク
フラクトンはまだラボで作成されていませんが、おそらく変更されるでしょう.不動の欠陥を持つ特定の結晶は、数学的にフラクトンに似ていることが示されています。そして、理論上のフラクトンの展望は、誰もが予想した以上に展開しており、新しいモデルが毎月登場しています。
「おそらく近い将来、誰かがこれらの提案の 1 つを採用し、『よし、冷たい原子で英雄的な実験を行い、これらのフラクトン モデルの 1 つを正確に実現しよう』と言うでしょう」と、オハイオ州立大学の凝縮物質物理学者であるブライアン スキナーは述べています。フラクトン モデルを考案した人
彼らの実験的実現がなくても、フラクトンの単なる理論的可能性は、現在ほとんどすべての物理現象が記述されている理論的枠組みである場の量子論の第一人者であるザイバーグに警鐘を鳴らしました.
場の量子論は、離散粒子を空間と時間にまたがる連続場の励起として描写します。これは、これまでに発見された中で最も成功した物理理論であり、素粒子物理学の標準モデル (既知のすべての素粒子を支配する非常に正確な方程式) を網羅しています。
「フラクトンはこのフレームワークに適合しません。したがって、フレームワークは不完全であるというのが私の見解です」と Seiberg 氏は述べています。
場の量子論が不完全であると考えるのには、他にも正当な理由があります。その 1 つは、これまでのところ重力を説明できていないことです。場の量子論の枠組みでフラクトンを記述する方法を理解できれば、ザイバーグと他の理論家は、実行可能な量子重力理論に向けた新しい手がかりを予見できます。
「フラクトンの離散性は、私たちがすでに持っている構造全体を台無しにする可能性があるため、潜在的に危険です」とセイバーグは言いました。 「しかし、それを問題だと言うか、機会だと言うかのどちらかです。」
彼と彼の同僚は、連続時空の岩盤の上でいくつかの離散的な動作を可能にすることで、フラクトンの奇妙さを取り込もうとする新しい量子場理論を開発しています.
「場の量子論は非常にデリケートな構造であるため、ルールをできるだけ変更したくありません」と彼は言いました。 「私たちは反対側に行くことを望んで、非常に薄い氷の上を歩いています。」
