In den letzten Jahren haben sich einige Materialien als Grundlage für Physiker erwiesen. Diese Materialien bestehen nicht gerade aus etwas Besonderem - gewöhnlichen Teilchen, Protonen, Neutronen und Elektronen. Aber sie sind mehr als nur die Summe ihrer Teile. Diese Materialien haben eine ganze Reihe interessanter Eigenschaften und Phänomene und führten manchmal sogar Physiker zu neuen Zuständen der Materie - zusätzlich zu fest, gasförmig und flüssig, die wir seit unserer Kindheit kennen.
Eine Art von Material, um das sich Physiker besonders Sorgen machen, ist der topologische Isolator - und allgemein die topologischen Phasen, deren theoretische Grundlagen ihre Erfinder 2016 zum Nobelpreis führten. Auf der Oberfläche eines topologischen Isolators fließen Elektronen reibungslos, aber im Inneren stehen sie bewegungslos. Die Oberfläche ist wie ein Metallleiter und die Innenseite ist wie ein Keramikisolator. Topologische Isolatoren haben aufgrund ihrer ungewöhnlichen Physik sowie ihrer möglichen Anwendungen in Quantencomputern und sogenannten spintronischen Bauelementen, die den Spin von Elektronen und ihre Ladung nutzen, Aufmerksamkeit erregt.
Dieses exotische Verhalten ist nicht immer offensichtlich. „Wenn man ein Material im traditionellen Sinne betrachtet, kann man nicht einfach sagen, ob es diese Eigenschaften hat oder nicht“, sagt Frank Wilczek, Physiker am MIT und Nobelpreisträger für Physik 2004.
Was ist sonst noch eine Quantenatmosphäre?
Es stellt sich heraus, dass viele scheinbar gewöhnliche Materialien verborgene, aber ungewöhnliche und möglicherweise nützliche Eigenschaften enthalten können. In einem kürzlich veröffentlichten Artikel schlugen Wilchek und Kin-Dong Zhang, Physiker an der Universität Stockholm, einen neuen Weg vor, um solche Eigenschaften zu untersuchen: indem sie die subtile Aura untersuchen, die das Material umgibt. Sie nannten es die Quantenatmosphäre.
Diese Atmosphäre könnte einige der grundlegenden Quanteneigenschaften des Materials enthüllen, die die Physiker dann messen könnten. Wenn dies durch Experimente bestätigt wird, wird dieses Phänomen nicht nur eine der wenigen makroskopischen Manifestationen der Quantenmechanik sein, sagt Wilczek, sondern es wird auch ein leistungsfähiges Werkzeug für die Erforschung neuer Materialien sein.
"Wenn Sie mich fragen würden, ob so etwas passieren könnte, würde ich sagen, dass die Idee Sinn macht", sagt Taylor Hughes, Theoretiker für kondensierte Materie an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign. Und er fügt hinzu: "Ich denke, der Effekt wird sehr schwach sein." In ihrer neuen Analyse berechneten Zhang und Vilchek jedoch, dass der quantenatmosphärische Effekt im Prinzip im nachweisbaren Bereich liegen würde.
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Darüber hinaus, so Wilchek, könnten solche Effekte sehr bald erkannt werden.
Aufprallbereich
Die Quantenatmosphäre, erklärt Wilczek, ist eine dünne Einflusszone um ein Material. Aus der Quantenmechanik folgt, dass das Vakuum nicht vollständig leer ist; es ist mit Quantenfluktuationen gefüllt. Wenn Sie beispielsweise zwei ungeladene Platten nebeneinander in ein Vakuum stellen, können sich nur Quantenfluktuationen mit Wellenlängen, die kürzer als der Abstand zwischen den Platten sind, zwischen ihnen quetschen. Von außen fallen jedoch Schwankungen aller Wellenlängen auf die Platten. Draußen gibt es mehr Energie als innen, wodurch die kombinierte Kraft die Platten zusammendrückt. Dies ist der Casimir-Effekt und ähnelt dem Effekt der Quantenatmosphäre, sagt Wilczek.
So wie eine Platte eine stärkere Kraft wahrnimmt, wenn sie sich einer anderen nähert, spürt eine Nadelsonde die Wirkung der Quantenatmosphäre, wenn sie sich einem Material nähert. "Es ist wie eine normale Atmosphäre", sagt Wilchek. "Je näher du ihm bist, desto größer ist seine Wirkung." Und die Art dieses Einflusses hängt von den Quanteneigenschaften des Materials selbst ab.
Antimon kann als topologischer Isolator wirken - Material, das überall außer auf der Oberfläche als Isolator fungiert.
Diese Eigenschaften können sehr unterschiedlich sein. Einige Materialien wirken als separate Universen mit ihren eigenen physikalischen Gesetzen, als ob sie sich im Multiversum der Materialien befinden. „Eine sehr wichtige Idee in der modernen Physik der kondensierten Materie ist, dass wir Materialien zur Verfügung haben - beispielsweise topologische Isolatoren -, innerhalb derer andere Regeln gelten“, sagt Peter Armitage, Physiker der kondensierten Materie an der Johns Hopkins University.
Einige Materialien wirken als magnetische Monopole - Punktmagnete mit einem Nordpol, aber keinem Südpol. Physiker haben auch die sogenannten fraktionierten elektrischen Ladungsquasiteilchen und Quasiteilchen entdeckt, die als ihre eigene Antimaterie wirken und vernichten können.
Wenn ähnliche exotische Eigenschaften in anderen Materialien vorhanden wären, könnten sie sich in Quantenatmosphären zeigen. Eine ganze Reihe neuer Eigenschaften könnte einfach durch Untersuchung der Materialatmosphäre aufgedeckt werden, sagt Wilchek.
Um ihre Idee zu demonstrieren, konzentrierten sich Zhang und Wilchek auf ein ungewöhnliches Regelwerk - die Axion-Elektrodynamik -, das zu einzigartigen Eigenschaften führen kann. Wilchek entwickelte diese Theorie 1987, um zu demonstrieren, wie ein hypothetisches Teilchen, Axion genannt, mit Elektrizität und Magnetismus interagieren kann. (Zuvor hatten die Physiker ein Axion vorgeschlagen, um eines der größten Rätsel der Physik zu lösen: Warum Wechselwirkungen mit einer starken Kraft gleich bleiben, wenn Teilchen durch Antiteilchen ersetzt und in einem Spiegel reflektiert werden, wobei die Symmetrie von Ladung und Parität (CP-Symmetrie) erhalten bleibt. Bis zu diesem Tag hatte niemand eines gefunden Bestätigung der Existenz von Axionen, obwohl vor nicht allzu langer Zeit ein erhöhtes Interesse an ihnen als Kandidaten für die Dunkle Materie besteht.
Während diese Regeln an den meisten Orten im Universum nicht funktionieren, manifestieren sie sich in einem Material - wie einem topologischen Isolator. „Die Art und Weise, wie elektromagnetische Felder in diesen neuen Substanzen, topologischen Isolatoren, interagieren, ist im Wesentlichen dieselbe, als ob sie mit einer Sammlung von Axionen interagieren würden“, sagt Wilczek.
Defekte in Diamanten
Wenn ein Material wie ein topologischer Isolator den Gesetzen der axialen Elektrodynamik folgt, kann seine Quantenatmosphäre auf alles reagieren, was es kreuzt. Zhang und Vilchek berechneten, dass ein solcher Effekt der Manifestation eines Magnetfelds ähnlich wäre. Insbesondere stellten sie fest, dass sich ihre Quantenenergieniveaus ändern, wenn Sie ein bestimmtes System von Atomen oder Molekülen in die Atmosphäre bringen. Wissenschaftler können die Änderung dieser Werte mit Standardlabormethoden messen. "Es ist eine ungewöhnliche, aber interessante Idee", sagt Armitage.
Eines dieser potenziellen Systeme ist eine Diamantsonde mit sogenannten stickstoffsubstituierten Leerstellen (NV-Zentren). Ein NV-Zentrum ist eine Art Defekt in der Kristallstruktur eines Diamanten, wenn ein Kohlenstoffatom eines Diamanten durch ein Stickstoffatom ersetzt wird und ein Ort in der Nähe von Stickstoff leer bleibt. Der Quantenzustand eines solchen Systems ist hochempfindlich, wodurch NV-Zentren selbst die schwächsten Magnetfelder erfassen können. Diese Eigenschaft macht sie zu leistungsstarken Sensoren, die für eine Vielzahl von Zwecken in der Geologie und Biologie eingesetzt werden können.
Die Arbeit von Zhang und Vilchek, die sie bei Physical Review Letters eingereicht haben, beschreibt nur den quantenatmosphärischen Einfluss, der sich aus der axionischen Elektrodynamik ergibt. Um festzustellen, welche anderen Eigenschaften die Atmosphäre beeinflussen, müssen laut Wilchek andere Berechnungen durchgeführt werden.
Symmetrie brechen
Im Wesentlichen werden die Eigenschaften, die Quantenatmosphären offenbaren, durch Symmetrien dargestellt. Die verschiedenen Phasen eines Stoffes und die ihnen entsprechenden Eigenschaften können in Form von Symmetrien dargestellt werden. In einem festen Kristall sind die Atome beispielsweise in einem symmetrischen Gitter angeordnet, das sich verschiebt oder dreht, um identische Kristallmuster zu bilden. Wenn Sie es erwärmen, brechen die Bindungen, die Gitterstruktur kollabiert, das Material verliert seine Symmetrie und wird gewissermaßen flüssig.
Materialien können andere fundamentale Symmetrien aufbrechen, wie beispielsweise die wechselseitige Zeitsymmetrie, der die meisten Gesetze der Physik gehorchen. Die Phänomene können unterschiedlich sein, wenn Sie sie in einem Spiegel reflektieren und die Paritätssymmetrie aufheben.
Wenn diese Symmetrien im Material gebrochen werden können, können wir bisher unbekannte Phasenübergänge und möglicherweise exotische Eigenschaften beobachten. Material mit einer gewissen Symmetriebrechung verursacht den gleichen Zusammenbruch in einer Sonde, die durch die Quantenatmosphäre geht, sagt Wilczek. Beispielsweise sind in einer Substanz, die der axionischen Thermodynamik folgt, Symmetrien sowohl der Zeit als auch der Parität gebrochen, in Kombination jedoch nicht. Durch Berühren der Atmosphäre des Materials können Sie herausfinden, ob und inwieweit es die Symmetrie bricht.
Wilchek sagt, er habe die Idee bereits mit den Experimentatoren besprochen. Darüber hinaus sind diese Experimente durchaus machbar, auch nicht in Jahren, sondern in Wochen und Monaten.
Wenn alles klappt, wird der Begriff "Quantenatmosphäre" einen festen Platz im Lexikon der Physiker finden. Wilczek hatte zuvor Begriffe wie Axionen, Anionen (Quasiteilchen, die für das Quantencomputing nützlich sein können) und Zeitkristalle geprägt. Quantenatmosphären können auch verweilen.
Ilya Khel
