Sejak beberapa tahun kebelakangan ini, beberapa bahan telah menjadi bukti bagi ahli fizik. Bahan-bahan ini tidak betul-betul terbuat dari sesuatu yang istimewa - zarah, proton, neutron, dan elektron biasa. Tetapi mereka lebih dari sekadar jumlah bahagian mereka. Bahan-bahan ini mempunyai pelbagai sifat dan fenomena yang menarik, dan kadang-kadang bahkan membawa ahli fizik ke keadaan jirim yang baru - selain pepejal, gas dan cecair, yang telah kita ketahui sejak kecil.
Salah satu jenis bahan yang sangat dirisaukan oleh ahli fizik ialah penebat topologi - dan, secara lebih luas, fasa topologi, asas teori yang mendorong penemu mereka ke Hadiah Nobel pada tahun 2016. Di permukaan penebat topologi, elektron mengalir dengan lancar, tetapi di dalamnya mereka tidak bergerak. Permukaannya seperti konduktor logam dan bahagian dalamnya seperti penebat seramik. Penebat topologi telah menarik perhatian untuk fisika yang tidak biasa, serta untuk potensi aplikasi mereka dalam komputer kuantum dan apa yang disebut alat spintronik yang menggunakan putaran elektron dan casnya.
Kelakuan eksotik ini tidak selalu jelas. "Anda tidak boleh mengatakannya dengan mempertimbangkan bahan dalam pengertian tradisional, sama ada ia mempunyai sifat seperti ini atau tidak," kata Frank Wilczek, seorang ahli fizik di MIT dan pemenang Nobel 2004 dalam bidang fizik.
Apa lagi suasana kuantum?
Ternyata banyak bahan yang kelihatan biasa boleh mengandungi sifat tersembunyi, tetapi tidak biasa dan, mungkin, berguna. Dalam makalah yang baru diterbitkan, Vilchek dan Kin-Dong Zhang, seorang ahli fizik di Universiti Stockholm, mencadangkan cara baru untuk meneroka sifat-sifat seperti itu: dengan mempelajari aura halus yang mengelilingi bahan tersebut. Mereka menyebutnya suasana kuantum.
Suasana ini dapat mendedahkan beberapa sifat asas kuantum bahan yang kemudian dapat diukur oleh ahli fizik. Sekiranya disahkan oleh eksperimen, fenomena ini bukan hanya akan menjadi salah satu dari beberapa manifestasi makroskopik mekanik kuantum, kata Wilczek, tetapi juga akan menjadi alat yang kuat untuk meneliti bahan baru.
"Sekiranya anda bertanya kepada saya apakah sesuatu seperti ini dapat terjadi, saya akan mengatakan bahawa idea itu masuk akal," kata Taylor Hughes, seorang ahli teori masalah padat di University of Illinois di Urbana-Champaign. Dan dia menambah: "Saya rasa kesannya akan sangat lemah." Namun, dalam analisis baru mereka, Zhang dan Vilchek mengira bahawa, pada dasarnya, kesan atmosfera kuantum akan berada dalam julat yang dapat dikesan.
Video promosi:
Lebih-lebih lagi, kata Wilchek, kesan seperti itu dapat dikesan tidak lama lagi.
Kawasan kesan
Suasana kuantum, Wilczek menjelaskan, adalah zon pengaruh tipis di sekitar bahan. Dari mekanik kuantum, vakum tidak sepenuhnya kosong; ia dipenuhi dengan turun naik kuantum. Contohnya, jika anda mengambil dua plat yang tidak dicas dan meletakkannya secara bersebelahan dalam ruang hampa, hanya fluktuasi kuantum dengan panjang gelombang yang lebih pendek daripada jarak antara plat yang dapat memerah di antara mereka. Tetapi dari luar, turun naik semua panjang gelombang akan jatuh pada plat. Akan ada lebih banyak tenaga di luar daripada di dalam, yang akan menyebabkan kekuatan gabungan memerah plat bersama-sama. Ini adalah kesan Casimir dan serupa dengan kesan atmosfer kuantum, kata Wilczek.
Sama seperti plat merasakan daya yang lebih kuat ketika menghampiri yang lain, probe jarum akan merasakan kesan atmosfer kuantum ketika menghampiri bahan. "Ini seperti suasana biasa," kata Wilchek. "Semakin dekat anda, semakin besar kesannya." Dan sifat kesan ini bergantung pada sifat kuantum bahan itu sendiri.
Antimoni boleh bertindak sebagai penebat topologi - bahan yang berfungsi sebagai penebat di mana-mana kecuali permukaan.
Sifat-sifat ini boleh sangat berbeza. Sebilangan bahan bertindak sebagai alam semesta yang terpisah dengan undang-undang fizikal mereka sendiri, seolah-olah mereka berada dalam pelbagai jenis bahan. "Idea yang sangat penting dalam fizik materi pekat moden adalah bahawa kita mempunyai bahan yang kita miliki - katakanlah, penebat topologi - di mana satu set peraturan yang berbeza beroperasi," kata Peter Armitage, seorang ahli fizik pekat di Universiti Johns Hopkins.
Sebilangan bahan bertindak sebagai monopol magnetik - magnet titik dengan kutub utara tetapi tidak ada kutub selatan. Ahli fizik juga telah menemui apa yang disebut quasiparticles dan quasiparticles cas elektrik pecahan, yang bertindak sebagai antimateri mereka sendiri dan dapat memusnahkan.
Sekiranya sifat eksotik yang serupa ada pada bahan lain, mereka boleh menampakkan diri dalam atmosfer kuantum. Sebilangan besar sifat baru dapat ditemui hanya dengan memeriksa atmosfera bahan, kata Wilchek.
Untuk menunjukkan idea mereka, Zhang dan Wilchek memusatkan perhatian pada sekumpulan peraturan yang tidak biasa - elektrodinamik aksion - yang boleh menyebabkan sifat unik. Wilchek mengemukakan teori ini pada tahun 1987 untuk menunjukkan bagaimana zarah hipotetis yang disebut aksion dapat berinteraksi dengan elektrik dan magnet. (Sebelum ini, ahli fizik mengemukakan paksi untuk menyelesaikan salah satu misteri fizik terbesar: mengapa interaksi yang melibatkan daya kuat tetap sama jika zarah digantikan oleh antipartikel dan dipantulkan dalam cermin, mengekalkan simetri cas dan pariti (CP-simetri). Sehingga hari itu, tidak ada yang menemukan pengesahan adanya paksi, walaupun belum lama ini telah meningkat minat mereka sebagai calon bahan gelap.
Walaupun peraturan ini tidak akan berfungsi di kebanyakan tempat di alam semesta, peraturan ini cukup nyata di dalam bahan - seperti penebat topologi. "Cara medan elektromagnetik berinteraksi dalam bahan baru ini, penebat topologi, pada dasarnya sama seperti jika mereka berinteraksi dengan koleksi paksi," kata Wilczek.
Kecacatan pada berlian
Sekiranya bahan seperti penebat topologi mematuhi undang-undang elektrodinamik aksial, atmosfer kuantumnya dapat bertindak balas terhadap apa pun yang melintasinya. Zhang dan Vilchek mengira bahawa kesan seperti itu serupa dengan manifestasi medan magnet. Secara khusus, mereka mendapati bahawa jika anda meletakkan sistem atom atau molekul tertentu di atmosfera, tahap tenaga kuantumnya akan berubah. Para saintis dapat mengukur perubahan tahap ini dengan menggunakan kaedah makmal standard. "Ini idea yang luar biasa tetapi menarik," kata Armitage.
Salah satu sistem berpotensi ini adalah penyelidikan berlian dengan apa yang disebut kekosongan pengganti nitrogen (pusat NV). Pusat NV adalah sejenis kecacatan pada struktur kristal berlian, apabila atom karbon berlian digantikan oleh atom nitrogen, dan tempat yang hampir dengan nitrogen tetap kosong. Keadaan kuantum sistem sedemikian sangat sensitif, yang membolehkan pusat NV merasakan medan magnet yang paling lemah. Properti ini menjadikan mereka sensor yang kuat yang dapat digunakan untuk pelbagai tujuan dalam geologi dan biologi.
Makalah oleh Zhang dan Vilchek, yang mereka serahkan kepada Physical Review Letters, hanya menggambarkan pengaruh atmosfera kuantum yang berasal dari elektrodinamik aksionik. Untuk menentukan sifat-sifat lain yang mempengaruhi atmosfera, kata Wilchek, pengiraan lain perlu dilakukan.
Melanggar simetri
Pada hakikatnya, sifat yang dinyatakan atmosfera kuantum ditunjukkan oleh simetri. Pelbagai fasa suatu zat, dan sifat-sifat yang sesuai dengannya, dapat ditunjukkan dalam bentuk simetri. Dalam kristal pepejal, misalnya, atom disusun dalam kisi simetri yang bergeser atau berputar untuk membentuk corak kristal yang sama. Apabila anda memanaskannya, ikatan pecah, struktur kisi runtuh, bahan kehilangan simetri dan menjadi cair.
Bahan boleh memecahkan simetri asas lain, seperti simetri masa timbal balik, yang dipatuhi oleh kebanyakan undang-undang fizik. Fenomena boleh berbeza jika anda mencerminkannya di cermin dan memecahkan simetri pariti.
Sekiranya simetri ini dapat dipecahkan dalam bahan, kita dapat melihat peralihan fasa yang sebelumnya tidak diketahui dan sifat eksotik yang berpotensi. Bahan dengan pecahan simetri tertentu akan menyebabkan pecahan yang sama dalam siasatan yang melalui atmosfer kuantum, kata Wilczek. Sebagai contoh, dalam bahan yang mengikuti termodinamika aksionik, simetri masa dan pariti dipecahkan, tetapi secara bersamaan tidak. Dengan menyentuh suasana bahan, anda dapat mengetahui apakah dan sejauh mana ia memecah simetri.
Wilchek mengatakan bahawa dia telah membincangkan idea itu dengan para eksperimen. Lebih-lebih lagi, eksperimen ini dapat dilaksanakan, bahkan tidak dalam beberapa tahun, tetapi dalam beberapa minggu dan bulan.
Sekiranya semuanya berjaya, istilah "atmosfer kuantum" akan mendapat tempat tetap dalam leksikon ahli fizik. Wilczek sebelumnya telah mencipta istilah seperti aksion, anion (kuasipartikel yang dapat berguna untuk pengkomputeran kuantum), dan kristal masa. Atmosfera kuantum juga boleh bertahan.
Ilya Khel
