Полная классификация могла бы привести к появлению большого количества новых материалов и технологий.
Однако самые экзотические фазы продолжают сопротивляться пониманию учёных.
За последние три десятилетия специалисты в области физика конденсированного состояния открыл целую чудесную страну новых, экзотических фаз материи: внезапно возникающих коллективных состояний взаимодействующих частиц, совершенно отличающихся от известных всем твердых, жидких или газообразных состояний материи.
Эти фазы, некоторые из которых были реализованы в лабораториях, а некоторые извлечены из теоретических расчетов, возникают, когда вещество охлаждается почти до абсолютного нуля, что более чем на двести градусов ниже точки замерзания воды при нормальных условиях.
В этих холодных условиях частицы могут взаимодействовать таким образом, что они теряют все следы своей прежней идентичности.
Эксперименты 1980-х годов обнаружили, что в некоторых ситуациях электроны распадаются на фракции частиц, способных оставлять следы в пространстве-времени в виде косы ; в других среди них появляются безмассовые версии самих себя.
Решетка вращающихся атомов становится жидкостью из скручивающихся петель или ветвящихся струн; кристаллы, которые изначально не проводили электричество, начинают проводить ток по поверхности.
Одна из фаз, которая шокировала экспертов, когда это стало возможным доказано математически в 2011 году , включает в себя очень странные сущности», фрактоны ", сцепляясь друг с другом во фрактальные узоры [согласно Wiki, фрактоны - это фрактальный аналог фононы , кванты колебательного движения атомов кристалла / прим.
перевод].
Теперь исследовательские группы Microsoft и других компаний стремятся записать квантовую информацию в косы и петли некоторых из этих фаз с целью разработки квантового компьютера.
Между тем, теоретики физики конденсированного состояния (КМ) недавно провели несколько исследований, имеющих решающее значение для понимания закономерностей коллективного поведения, чтобы пронумеровать и классифицировать все возможные фазы материи.
Если им удастся создать полную классификацию, это не только позволит описать все наблюдаемые до сих пор фазы материи в природе, но и потенциально укажет путь к новым материалам и технологиям.
Исследователи во главе с десятками лучших теоретиков и с помощью математиков уже классифицировали целый вагон фаз, которые могут проявиться в одну-две фазы.
пространственные измерения , связывая их с топологией: математикой, описывающей неизменные свойства таких фигур, как сфера или тор.
Они также углубились в дебри фаз, возникающих вблизи абсолютного нуля в трехмерной материи.
Си Чен , теоретик физики конденсированного состояния из Калифорнийского технологического института
Ученые ищут «не какой-то конкретный закон физики», сказал Майкл беременен [Майкл Залетел], теоретик FCS из Принстонского университета.
«Они ищут пространство всех возможностей, и это в некотором смысле более глубокая и красивая идея».
Это может быть неожиданно, но, как говорит Залетел, пространство всех последовательных фаз само по себе является математическим объектом «с невероятно богатой структурой, которая, как мы полагаем, в одномерном и двумерном мире будет совпадать один в один».
с этими прекрасными топологическими структурами».
.
В ландшафте всех этапов существует «экономика вариантов», сказал Ашвин Вишванат [Ашвин Вишванат] из Гарвардского университета.
«И все это кажется познаваемым» — такое везение его озадачивает. Нумерация фаз материи могла бы быть чем-то «подобна коллекционированию марок», сказал Вишванат, «каждая из которых немного отличается от других, и между ними нет никакой связи».
Вместо этого классификация фаз больше похожа на «таблицу Менделеева».
В нем много элементов, но они разбиты на категории, и мы можем понять эти категории».
Классификация проявленного поведения частиц может показаться не столь фундаментальной, но некоторые эксперты, например, Си-Ган Вэнь [Сяо-Ган Вэнь] из Массачусетского технологического института говорят, что новые правила возникающих фаз показывают, как сами фундаментальные частицы могут возникать из лежащей в их основе сети запутанных битов квантовой информации, которую Вэнь называет «океаном кубитов».
Например, на этапе « струнно-сетевая жидкость ", способные проявляться в трехмерной системе кубитов, возмущения выглядят точно так же, как известные фундаментальные частицы.
"Настоящие электрон и настоящий протон могут быть просто флуктуациями в струнной сети", - говорит Вэнь.
Новый топологический порядок
Прежде чем эти фазы внезапно появились при нулевой температуре, физики считали, что им уже известны все фазы.К 1950-м годам они смогли объяснить, что происходит, например, когда вода превращается в лед, описав это как нарушение симметрии: если жидкая вода обладает вращательной симметрией на атомном уровне (она одинакова во всех направлениях), то во льду молекулы из H 2 O заключены в столбцы и строки.
Все изменилось в 1982 году после открытия дробный квантовый эффект Холла , проявляющийся в ультрахолодном двумерном газе электронов.
Вещество в этом состоянии имело проявленные частицы с зарядом, равным доле заряда электрона, которые совершали доли шагов при одностороннем обходе периметра системы.
«Больше невозможно было различать такие фазы с помощью симметрии», — сказал Вэнь.
Требовалась новая парадигма.
В 1989 году Вэнь предположил, что такие фазы, как состояние дробного квантового эффекта Холла, возникают не на плоскости, а на других топологических множествах — связанных поверхностях вроде поверхности сферы или тора.
Топология относится к глобальным неизменным свойствам таких пространств, которые не могут быть изменены локальной деформацией.
По крайней мере, как известно топологам, пончик можно превратить в чашку, деформировав его поверхность, поскольку обе формы имеют одно и то же отверстие и, следовательно, топологически эквивалентны.
Но растягивайте и сжимайте сколько угодно, и даже самый гибкий пончик не получится превратить в крендель.
Вэнь обнаружил, что в новых топологических условиях новые свойства появляются в фазах с нулевой температурой, и ввёл термин « топологический порядок Связь между фазами и топологией обнаружили и другие теоретики.
С открытием множества различных экзотических фаз – их уже известно так много, что, как говорят исследователи, они едва успевают за их описанием.
- стало ясно, что топология и симметрия предлагают вполне систему для их организации.
Топологические фазы возникают только в области абсолютного нуля, поскольку только при столь низких температурах системы частиц могут прийти в состояние квантовое основное состояние с наименьшим количеством энергии.
В основном состоянии тонкие взаимодействия, которые устанавливают идентичность частиц, исчезающие при высоких температурах, связывают частицы в глобальные системы посредством квантовой запутанности.
Вместо описания частиц по отдельности, математически они становятся компонентами более сложной функции, описывающей их все сразу, часто с появлением новых частиц в виде возбуждений глобальной фазы.
Возникающие закономерности дальнодействующей запутанности оказываются топологическими, то есть нечувствительными к локальным возмущениям — подобно числу дырок в множестве.
Вверху: жидкая фаза квантовых спинов.
На этом этапе двумерная решетка вращающихся частиц приводит к появлению петель из частиц, вращающихся одинаково.
Количество и расположение петель все время меняется, и все это напоминает лавовая лампа .
Если обернуть эту систему вокруг тора, то окажется, что она может находиться в четырех различных топологически инвариантных состояниях: А) Вокруг отверстия: четное количество петель / Через отверстие: четное количество петель.
Б) Четный/нечетный.
В) Нечетный/нечетный.
Г) Нечетный/четный.
Несмотря на то, что петли постоянно испытывают квантовомеханические колебания, топологический порядок всегда сохраняется (2 петли могут переходить в 0 петель, что тоже является четным числом).
Внизу: струнно-сетевая жидкость.
Если мы обернем систему изменяющихся и ветвящихся струн вокруг тора, мы также получим различные топологически инвариантные состояния.
Рассмотрим простейшую топологическую фазу системы, называемую «жидкостью квантовых спинов», состоящую из двумерной решетки спинов или частиц, направленных вверх, вниз или, с некоторой вероятностью, в обе стороны одновременно.
При нулевой температуре спин-жидкость создает цепочки спинов, направленные в одном направлении, вниз, и эти струны образуют замкнутые петли.
Направление спинов подвержено квантово-механическим флуктуациям, меняется и рисунок петель на материале: петли более низких спинов объединяются в более крупные петли или расщепляются на более мелкие.
В такой жидкой фазе квантовых спинов основное состояние системы представляет собой квантовую суперпозицию всех возможных паттернов петель.
Чтобы понять, почему эта модель запутанности представляет собой топологический порядок, представьте, как это сделал Вэнь, что жидкость квантовых спинов разливается по поверхности тора, и некоторые петли закручиваются вокруг его отверстия.
Из-за этого вместо одного основного состояния, связанного с суперпозицией всех петлевых структур, спиновая жидкость будет существовать в одном из четырех различных основных состояний, связанных с четырьмя суперпозициями петлевых структур.
Одно состояние состоит из всех возможных шаблонов петель с четным числом петель, окружающих отверстие тора, и четным количеством петель, проходящих через него.
Во-вторых, первое число четное, а второе нечетное; третье и четвертое имеют эти числа соответственно нечетное/четное и нечетное/нечетное.
И попав в одно из этих состояний, система там и остаётся, несмотря на то, что шаблон цикла всё время меняется локально.
Если бы, например, спиновая жидкость имела четное количество петель, окружающих отверстие тора, то две из этих петель могли бы соприкоснуться и объединиться, и внезапно стать петлей, которая вообще не окружает отверстие.
Количество петель уменьшается на две, но все равно остается четным.
Основное состояние системы — это топологически инвариантное свойство, устойчивое к локальным изменениям.
Будущие квантовые компьютеры смогут воспользоваться этой инвариантностью.
Если у вас есть четыре топологических основных состояния, которые не зависят от локальных возмущений или ошибок, «у вас есть способ хранить квантовую информацию, потому что ваш бит может указывать, в каком состоянии вы находитесь», — объясняет Залетел, изучавший топологические свойства спиновых жидкостей.
и другие квантовые фазы.
Таким системам, как спиновые жидкости, не обязательно оборачивать тор, чтобы иметь топологически защищенные основные состояния.
Любимая песочница исследователей — « тороидальный код ", фаза, теоретически построенная теоретиком FCC Алексеем Китаевым из Калифорнийского технологического института в 1997 году и продемонстрированная в экспериментах за последние десять лет. Тороидальный код может существовать на плоскости и при этом сохранять несколько основных состояний, присущих поверхности тора.
По сути, спиновые петли способны перемещаться от одного края системы и появляться на другом, а петли, закручивающиеся вокруг системы, эквивалентны петлям вокруг отверстия тора «Мы умеем строить связи между свойствами.
основные состояния системы на торе и соответствующее поведение частиц», — сказал Залетель.
Спиновые жидкости могут находиться и в других фазах, в которых спины не образуют замкнутых петель, а разветвляются и образуют сети струн.
Этот струнно-сетчатая жидкая фаза , который, по словам Вена, «может охватить всю Стандартную модель» физики элементарных частиц, начиная с трехмерного океана кубитов.
Вселенная фаз
Исследования, проведенные несколькими группами в 2009 и 2010 годах, завершили классификацию «изолированных» фаз материи, образующихся в одном измерении — цепочек частиц.Отделившаяся фаза находится в основном состоянии: это состояние с низкой энергией находится достаточно далеко от состояний с высокой энергией, чтобы система устойчиво установилась в этом состоянии.
Только изолированные квантовые фазы производят четко определенные возбуждения в форме частиц.
Неразделенные фазы представляют собой пузырящийся квантовый суп, и их свойства остаются в значительной степени неизвестными.
Для одномерной цепочки бозонов — частиц вроде фотонов с целочисленным квантовым спином (то есть они возвращаются в исходное состояние после переключения местами) — существует только одна отличная топологическая фаза.
На этом этапе, впервые изученном теоретиком из Принстона Дункан Холдейн , который получил в 2016 году вместе с Дэвидом Таулессом и Джоном Майклом Костерлицем Нобелевская премия За десятилетия работы над топологическими фазами спиновая цепочка производит частицы с полуцелым спином на обоих концах.
Цепочка фермионов имеет две отдельные топологические фазы (это частицы типа электронов и кварков, с полуцелыми спинами – а это значит, что при изменении положения их состояние становится отрицательным).
Топологический порядок в этих одномерных цепочках возникает не из-за дальней запутанности, а из-за локальной симметрии, соединяющей соседние частицы.
Эти фазы называются «симметрично защищенными топологическими фазами» и соответствуют «коциклам группы когомологий », математические объекты, связанные с инвариантами, такими как количество дырок в наборе.
Периодическая таблица фаз: В таблице показаны типичные примеры изолированных фаз со стабильным основным состоянием.
Классификация считается завершенной для одномерных и двумерных пространств.
О трехмерных пространствах пока мало что известно.
Двумерных фаз гораздо больше, и они гораздо интереснее.
Они могут демонстрировать то, что некоторые эксперты считают «истинным» топологическим порядком: порядок, связанный с дальнодействующей квантовой запутанностью, такой как флуктуации петель в спиновой жидкости.
За последние несколько лет исследователи показали, что эти модели запутанности соответствуют топологическим структурам, называемым тензорные категории , перечисляя различные способы, которыми объекты могут сливаться и обтекать друг друга.
«Тензорные категории дают возможность описать частицы, которые последовательно сливаются и сплетаются», — сказал Дэвид Перес-Гарсия из Мадридского университета Комплутенсе.
Такие исследователи, как Перес-Гарсия, работают над математическим доказательством полноты известных классов двумерных изолированных топологических фаз.
Он помог закончить одномерные занятия в 2010 году , используя общепринятое мнение, что эти фазы всегда хорошо аппроксимируются квантовыми теориями поля — теми математическими описаниями, в которых среда, в которой существуют квантовые частицы, считается гладкой.
«Эти тензорные категории гипотетически охватывают все двумерные фазы, но точного математического доказательства пока нет», — сказал Перес-Гарсия.
– Конечно, было бы гораздо интереснее, если бы можно было доказать, что это не все этапы.
«Экзотические вещи всегда интереснее, потому что у них новая физика и они могут быть полезны».
Неразделенные квантовые фазы представляют собой еще одну область возможностей для изучения, но окутаны туманом, непроницаемым для большинства теоретических методов.
«Мы не можем говорить на языке частиц и начинаем сталкиваться с очень серьёзными трудностями», — говорит Сентил Тодадри [Сентил Тодадри], теоретик компьютерной науки из Массачусетского технологического института.
Например, неразделенные фазы служат серьезным препятствием для понимания высокотемпературной сверхпроводимости.
Они усложняют жизнь исследователям квантовой гравитации в движении «все из кубитов», которые считают, что не только элементарные частицы, но также пространство-время и гравитация возникают из закономерностей запутанности в лежащем в основе океане кубитов.
«Мы в All Qubits проводим много времени, работая с неизолированными состояниями, потому что именно здесь возникает гравитация — по крайней мере, мы так думаем на данный момент», — сказал Брайан Свингл , физик-теоретик из Университета Мэриленда.
Некоторые исследователи пытаются использовать математические принцип двойственности превратить картину квантового супа в эквивалентное описание частиц, созданных в более высоком измерении.
«Это следует рассматривать как исследование новых территорий», — говорит Тодадри.
Еще больший энтузиазм исследователей виден в трехмерном пространстве.
Пока ясно, что когда спины и частицы освобождаются от оков двумерности и заполняют трехмерное пространство реальности, начинают появляться невообразимо странные системы квантовой запутанности.
«В трех измерениях все еще есть вещи, которые ускользают от тензорных категорий», — говорит Перес-Гарсия.
«Возбуждение [полей] оказывается совершенно диким».
Хаах Код
А самая дикая из трехмерных фаз появилась семь лет назад. Талантливый выпускник Калифорнийского технологического института Джионван Хаа [Чонван Хаа] обнаружил это с помощью компьютерного моделирования в поисках «кода сна»: основного квантового состояния, достаточно устойчивого для безопасного хранения квантовой памяти даже при комнатной температуре.Для этого Хааху пришлось обратиться к трем измерениям.
В двумерных топологических фазах, таких как тороидальный код, значительная часть ошибок вносится «струнными операторами»: возмущениями в системе, которые приводят к случайному образованию спиновых струн.
Эти струны иногда могут наматывать новые петли вокруг отверстия тора, меняя количество петель с четного на нечетное и наоборот, преобразуя тороидальный код в одно из трех других квантовых состояний.
Поскольку струны выходят из-под контроля и охватывают все остальное, эксперты говорят, что невозможно построить хорошую квантовую память в двумерном мире.
Джионван Хаа
Хаах написал алгоритм поиска трехмерных фаз, который позволяет избежать строковых операторов.
Компьютер выдал 17 точных решений, которые затем проверил вручную.
Было подтверждено, что на четырех этапах отсутствуют строковые операторы; одна из фаз с наибольшей симметрией стала известна как код Хааха.
Код Хаа потенциально полезен для хранения квантовой памяти, но он также ужасно странный.
Сяо Чен, теоретик FCS в Калифорнийском технологическом институте, вспоминает, как услышал эту новость, будучи аспирантом в 2011 году, через месяц или два после загадочного открытия Хаа.
«Все были в шоке», — говорит она.
«Мы не знали, сможем ли вообще что-нибудь с этим поделать».
И сегодня такая ситуация сохраняется уже много лет».
Код Хааха на бумаге довольно прост: это решение уравнения энергии с двумя членами, описывающими спины, взаимодействующие со своими восемью ближайшими соседями в кубической решетке.
Но итоговый этап «расширяет наше воображение», сказал Тодадри.
Особенностью кода являются частицеподобные сущности, фрактоны, которые, в отличие от петлевых структур в квантовой спиновой жидкости, не являются жидкими и остаются на месте; фрактоны могут прыгать между своими позициями решетки только в том случае, если эти позиции рассматриваются как фрактальный узор.
То есть, например, чтобы заставить фрактоны в вершинах тетраэдра поменяться местами, необходимо влить энергию в каждую вершину системы; но если мы увеличим масштаб, то окажется, что то, что мы считали вершиной, на самом деле является четырьмя вершинами меньшего тетраэдра, и нам тоже приходится вливать энергию во все эти вершины.
Еще увеличив масштаб, мы снова находим тетраэдр еще меньшего размера и так далее.
Такое фрактальное поведение означает, что код Хааха никогда не забывает свою основную решетку и не может быть аппроксимирован с помощью описания гладкой решетки, как это делается в квантовой теории поля.
Более того, количество основных состояний кода Хааха растет с размером базовой решетки — и это свойство определенно не является топологическим (если вы растянете тор, он все равно останется тором).
Квантовое состояние кода Хааха чрезвычайно стабильно, поскольку идеальный для него фрактальный оператор вряд ли появится случайно.
Эксперты говорят, что реализованная версия этого кода может представлять большой интерес с технологической точки зрения.
Фаза Хааха вызвала волну теоретических спекуляций.
Хаах помог в этом, когда в 2015 году он и двое его коллег из Массачусетского технологического института обнаружили множество примеров в классе фаз, ныне известном как «фрактонные модели», — упрощенных родственниках кода Хааха.
Первую модель этого семейства представил Клаудио Шамон из Бостонского университета в 2005 году.
Чен и другие ученые изучали топологию фрактонных систем, некоторые из которых позволяют частицам двигаться вдоль линий или плоскостей в трехмерном пространстве, что может помочь с концептуальным пониманием происходящего или может быть более подходящим для экспериментальной реализации.
«Это открывает нам множество более экзотических вещей», — говорит Чен о коде Хааха.
– Это демонстрация того, как мало мы знаем о трёхмерном мире и высших измерениях.
А поскольку у нас пока нет систематической картины происходящего, нас ждет много разных открытий».
Никто еще не знает, к какой части ландшафта возможных фаз принадлежит код Хааха и его родственники, или насколько велико может быть пространство возможностей.
По словам Тодадри, сообщество добилось прогресса в классификации простейших дискретных 3D-фаз, но необходимы дополнительные исследования, прежде чем можно будет начать полноценную программу классификации.
По его словам, ясно, что «когда мы будем классифицировать отдельные фазы материи в трехмерном пространстве, нам придется столкнуться с такими странными возможностями, одну из которых впервые открыл Хаах».
Многие исследователи полагают, что для описания фрактальной природы кода Хааха и открытия всего спектра возможностей трехмерной квантовой материи могут потребоваться новые концепции классификации.
Вэнь сказал: «Нам нужен новый тип теории, новый образ мышления».
Возможно, сказал он, нам нужна новая картина негибких моделей запутанности на больших расстояниях.
«У нас есть некоторые общие идеи, но нет систематической математики для их реализации», — сказал он.
«У нас есть некоторое представление о том, как это выглядит».
Но отсутствует детальная систематизация.
Но это то, что интересно».
Теги: #Популярная наука #физика #квантовая физика #материя #фазы материи #агрегационные состояния #косы #петли
-
Висячие Сады Вавилона
19 Oct, 24 -
Программное Обеспечение Поддержки Клиентов
19 Oct, 24 -
Как Я Добавил 6 Символов В Юникод
19 Oct, 24 -
Читают Ли Люди Статьи На Сайтах?
19 Oct, 24 -
Лифты, Поезда И Информационные Технологии
19 Oct, 24 -
Новости - It-Новости В Стихах И Плакатах
19 Oct, 24
