Дефекты в алмазах
Если такой материал, как топологический изолятор, подчиняется законам аксионной электродинамики, его квантовая атмосфера может реагировать на все, что ее пересекает. Чжан и Вилчек рассчитали, что такой эффект будет подобен проявлению магнитного поля. В частности, они обнаружили, что если вы поместите определенную систему атомов или молекул в атмосферу, их квантово-энергетические уровни изменятся. Ученые могут измерить изменение этих уровней с применением стандартных лабораторных методов. «Это необычная, но интересная идея», говорит Армитаж.
Одна из таких потенциальных систем — алмазный зонд с так называемыми азото-замещенными вакансиями (NV-центрами). NV-центр — это своего рода дефект в кристаллической структуре алмаза, когда атом углерода алмаза замещается атомом азота, а место, близкое к азоту, остается пустым. Квантовое состояние такой системы высокочувствительное, что позволяет NV-центрам чувствовать даже самые слабые магнитные поля. Это свойство делает их мощными датчиками, которые можно использовать для самых разных целей в геологи и биологии.
«Это прекрасное доказательство принципа», говорит Хьюз. Одним из применений могло бы стать составление карты свойств материала. Проводя NV-центр через материал вроде топологического изолятора, можно было бы определить, как меняются его свойства по всей поверхности.
Работа Чжана и Вилчека, которую они подали в Physical Review Letters, описывает только квантовое атмосферное влияние, полученное из аксионной электродинамики. Чтобы определить, какие еще свойства воздействуют на атмосферу, говорит Вилчек, нужно проделать другие расчеты.
Нарушая симметрию
В сущности, свойства, которые раскрывают квантовые атмосферы, представлены симметриями. Различные фазы вещества, и свойства, которые им соответствуют, можно представить в форме симметрий. В твердом кристалле, например, атомы выстроены в симметрическую решетку, которая сдвигается или вращается с образованием идентичных кристаллических схем. Когда вы ее нагреваете, связи разрушаются, решетчатая структура схлопывается, материал теряет свою симметрию и становится жидкостью в некотором смысле.
Материалы могут нарушать другие фундаментальные симметрии, такие как симметрия обратного времени, которую соблюдает большинство законов физики. Явления могут другими, если отражать их в зеркале, и нарушать симметрию четности.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Если эти симметрии могут нарушаться в материале, то мы могли бы наблюдать ранее неизвестные фазовые переходы и потенциально экзотические свойства. Материл с определенными нарушениями симметрий будет вызывать такие же нарушения и в зонде, который проходит через квантовую атмосферу, говорит Вилчек. Например, в веществе, которое следует аксионной термодинамике, нарушены симметрии и времени, и четности, но в сочетании их — нет. Прикасаясь к атмосфере материала, вы можете узнать, нарушает ли она симметрию и в какой степени.
«Некоторые материалы будут тайна нарушать симметрии, о которых мы даже не знаем и которых не ожидаем увидеть», говорит он. «Они будут казаться невинными, но скрывать свои секреты».
Вилчек говорит, что уже обсудил идею с экспериментаторами. Более того, эти эксперименты вполне осуществимы, даже и не через годы, но через недели и месяцы.
Если все получится, термин «квантовая атмосфера» найдет постоянное место в лексиконе физиков. Раньше Вилчек уже придумал такие термины, как аксионы, анионы (квазичастицы, которые могут быть полезными для квантовых вычислений) и кристаллы времени. Квантовые атмосферы тоже могут задержаться.
