Singularitati cuantice in fizica exotica - lumina ce simuleaza materia

Cristalele artificiale – cunoscute sub numele de retele optice – le permit oamenilor de stiinta sa studieze fenomene si efecte cuantice care ar fi imposibil de vazut in materialele in stare solida.

Folosind atomi de un milion de ori mai reci decat spatiul cosmic si distantarea punctelor retelei la sute de nanometri una de cealalta (comparativ cu fractiile de nanometru din cristale reale), cercetatorii creeaza in mod eficient o versiune marita si incetinita a grafenului pe care o pot observa si masura direct.

Echipa Dr. Brown a folosit aceasta configuratie pentru a investiga caracteristicile speciale ale structurii energetice a grafenului numite puncte Dirac – locatii in care electronii pot sari cu usurinta intre nivelurile de energie, ceea ce duce la proprietatile neobisnuite ale grafenului.

Te-ai intrebat vreodata ce se intampla cu adevarat in interiorul materialelor din jurul nostru? De la otelul inoxidabil de pe frigider pana la cuartul din blatul bucatariei, multe materiale de zi cu zi adapostesc o fizica fascinanta la nivel atomic.

Aceste materiale sunt cristale – modele foarte ordonate de atomi aranjati in structuri repetate numite retele atomice.

Modul in care electronii se misca prin aceste retele, sarind de la atom la atom, determina multe dintre proprietatile unui material, inclusiv culoarea, transparenta si capacitatea acestuia de a conduce caldura si electricitatea.

Efecte cuantice extreme in grafen

Dar unele cristale prezinta comportamente si mai exotice. Luati grafenul, de exemplu – un singur strat de atomi de carbon aranjati intr-un model de fagure.

Modul in care electronii se misca in grafen produce efecte cuantice extreme, cum ar fi particulele care traverseaza bariere energetice care ar trebui sa le blocheze conform fizicii clasice.

Grafenul prezinta, de asemenea, un fenomen bizar numit efectul cuantic Hall, in care conductivitatea sa electrica creste in trepte discrete legate de constantele fundamentale ale universului.

Proprietatile unice ale grafenului se extind cu mult dincolo de aceste fenomene cuantice. Structura sa bidimensionala da nastere la o serie de caracteristici remarcabile care i-au captivat pe oameni de stiinta si ingineri deopotriva.

De exemplu, grafenul este incredibil de puternic – de aproximativ 200 de ori mai puternic decat otelul in greutate. Aceasta rezistenta extraordinara provine din legaturile covalente stranse dintre atomii de carbon si structura sa plana, care distribuie efectiv fortele pe suprafata sa.

Grafenul are, de asemenea, proprietati electrice si termice exceptionale, ramanand in acelasi timp flexibil si transparent, facandu-l un material promitator pentru electronicele de ultima generatie si sistemele de management termic.

In plus, grafenul prezinta proprietati optice unice. In ciuda faptului ca are o grosime de doar un atom, absoarbe o cantitate semnificativa de lumina – aproximativ 2,3% in spectrul vizibil.

Acest procent aparent mic este remarcabil pentru un material de grosimea sa. Absorbtia optica a grafenului poate fi reglata prin aplicarea unui camp electric, deschizand posibilitati pentru dispozitivele optoelectronice.

Proprietati extraordinare greu de depistat la nivel atomic

Flexibilitatea si elasticitatea grafenului adauga o alta dimensiune aplicatiilor sale potentiale.

Poate fi intins cu pana la 20% din lungimea initiala fara a se rupe, facandu-l potrivit pentru electronice flexibile si dispozitive portabile.

In plus, grafenul este impermeabil la majoritatea gazelor si lichidelor, in ciuda grosimii sale cu un singur atom, ceea ce ar putea duce la aplicatii in tehnologiile de purificare a apei si separare a gazelor.

Aceste proprietati extraordinare ale grafenului au declansat un efort global de cercetare pentru a-si valorifica potentialul in diverse domenii, de la electronica si stocarea energiei pana la aplicatii biomedicale si inginerie aerospatiala.

Pe masura ce oamenii de stiinta continua sa exploreze si sa manipuleze acest material minune, este posibil sa fim in pragul unei noi revolutii tehnologice conduse de fizica unica a acestui cristal bidimensional.

In timp ce aceste proprietati fac grafenul incredibil de interesant si potential util pentru aplicatii, de la electronice mai bune la dispozitive biomedicale imbunatatite, este o provocare pentru oamenii de stiinta sa observe si sa inteleaga exact ce se intampla la nivel atomic.

Electronii pur si simplu se misca prea repede pentru ca noi sa captam detaliile.

O solutie ingenioasa: lumina care produce materie

O echipa de fizicieni, condusa de Dr. Charles D. Brown II, a gasit o solutie inteligenta la aceasta limitare.

In loc sa studieze grafenul real, ei creeaza o versiune artificiala folosind unde luminoase pentru a forma o „retea optica” – un model de pete luminoase si slabe care imita structura retelei atomice a grafenului.

„In locul retelei atomice, folosim unde luminoase pentru a crea ceea ce numim o retea optica”, explica dr. Brown. „Reteaua noastra optica are exact aceeasi geometrie ca si reteaua atomica.”

In acest sistem, atomii de rubidiu ultra-reci iau locul electronilor, topaind in jurul retelei de lumina, asa cum ar sari electronii intre atomii de carbon din grafenul real.

Desi nu este o replica perfecta, acest „cristal artificial” le permite oamenilor de stiinta sa studieze fenomene care ar fi imposibil de vazut in materialele in stare solida.

Experimentul a aratat ca punctele Dirac sunt adevarate singularitati cuantice – locuri in care legile fizicii devin incerte.

Pe masura ce echipa si-a mutat electronii artificiali (atomii reci) prin aceste puncte, ei au observat comportamente bizare care pot fi explicate doar prin mecanica cuantica.

De exemplu, starea cuantica a sistemului s-ar inversa complet sau ar intra intr-o „suprapozitie” – excitata simultan si ne-excitata – in functie de modul in care se apropie de punctul Dirac.

Ce este un punct Dirac?

Punctele Dirac, numite dupa fizicianul Paul Dirac, sunt caracteristici speciale in structura electronica a anumitor materiale, cel mai bine observate in grafen.

Aceste puncte apar acolo unde benzile de conducere si de valenta ale structurii electronice a unui material se intalnesc intr-un singur punct din spatiul de impuls, asa cum se vede in imaginea de mai jos.

In aceste puncte, relatia energie-impuls a electronilor devine liniara, asemanatoare cu cea a particulelor relativiste fara masa descrise de ecuatia Dirac.

In figura de mai jos se pot vedea benzile electronice de grafen care se intalnesc in punctul Dirac. Banda de valenta (gri) si banda de conducere (turcoaz).

Proprietatile unice ale punctelor Dirac se extind dincolo de observatiile din acest experiment.

In materialele care gazduiesc puncte Dirac, electronii se comporta ca si cum nu ar avea masa, miscandu-se la viteze extrem de mari – pana la aproximativ 1/300 din viteza luminii. Acest lucru duce la o conductivitate electrica extraordinara si la alte fenomene cuantice neobisnuite.

Unul dintre cele mai interesante aspecte ale punctelor Dirac este natura lor topologica [5]. Ele sunt protejate de simetrii in structura cristalului, facandu-le robuste impotriva perturbatiilor.

Aceasta protectie topologica este de mare interes in domeniul calculului cuantic, deoarece ar putea fi utilizata pentru a crea qubiti stabili rezistenti la decoerenta.

Starile cuantice exotice ale materiei

In plus, punctele Dirac sunt strans legate de aparitia starilor cuantice exotice ale materiei.

De exemplu, atunci cand anumite simetrii sunt rupte, punctele Dirac se pot imparti in puncte Weyl, ducand la formarea semimetalelor Weyl. Aceste materiale prezinta proprietati si mai neobisnuite, inclusiv stari de suprafata unice numite arcuri Fermi.

Studiul punctelor Dirac a condus, de asemenea, la descoperirea izolatorilor topologici de ordin superior, unde fizica asemanatoare Diracului apare nu doar in puncte, ci de-a lungul liniilor sau pe suprafete din structura electronica a materialului.

Acest domeniu in expansiune al materialelor topologice, inradacinat in fizica punctelor Dirac, promite noi cai pentru aplicatii tehnologice in electronica, spintronica si procesarea informatiilor cuantice.

Cercetarile recente au explorat chiar si crearea de puncte Dirac artificiale in sistemele cuantice proiectate, cum ar fi cristalele fotonice si retelele de atomi reci.

Aceste materiale cuantice sintetice permit controlul si manipularea precisa a fizicii Dirac, deschizand noi posibilitati pentru studierea fenomenelor cuantice fundamentale si dezvoltarea de noi tehnologii cuantice.

„Fizica cuantica este o calatorie!” remarca dr. Brown .

O alta singularitate: punctul de atingere al benzii patratice

Cea mai interesanta descoperire a echipei de cercetare a venit atunci cand si-au folosit tehnica pentru a studia un alt tip de singularitate numit punct de atingere a benzii patratice (QBTP).

Aceste puncte, care sunt greu de investigat in materiale reale, au aratat un comportament si mai ciudat.

Cercetatorii au descoperit ca mutarea sistemului lor in jurul unui QBTP a facut ca starea sa cuantica sa se „inveleasca” de doua ori inainte de a se intoarce la punctul sau de pornire – o proprietate topologica unica care ar putea fi legata de forme exotice de supraconductivitate si alte fenomene neobisnuite din materialele reale.

QBTP-urile reprezinta o clasa fascinanta de caracteristici ale structurii benzilor distincte de punctele Dirac mai studiate.

In timp ce punctele Dirac prezinta o relatie de dispersie liniara, QBTP-urile sunt caracterizate printr-o relatie patratica energie-impuls.

Aceasta diferenta aparent subtila duce la consecinte profunde in proprietatile electronice ale materialului si comportamentul cuantic.

Unul dintre cele mai interesante aspecte ale QBTP-urilor este potentialul lor de a gazdui faze noi ale materiei.

In anumite conditii, materialele cu QBTP-uri pot dezvolta spontan stari cuantice exotice, cum ar fi fazele nematice in care proprietatile electronice devin dependente de directie sau stari de ruptura a simetriei cu inversarea timpului care ar putea duce la proprietati magnetice neobisnuite.

Aceste stari apar din intrepatrunderea dintre interactiunile electron-electron si structura unica de banda din apropierea QBTP-urilor.

Comportamentul de „impachetare dubla” observat in jurul QBTP-urilor este o manifestare a topologiei lor non-triviale.

Aceasta proprietate este cuantificata de un invariant topologic numit numarul Chern, care in acest caz este 2, in contrast cu numarul Chern de 1 asociat de obicei cu punctele Dirac.

Numarul Chern mai mare sugereaza posibilitatea unor stari topologice mai robuste si mai variate, ceea ce poate duce la efecte Hall cuantice imbunatatite sau noi tipuri de supraconductivitate topologica.

Ce ne-a dezvaluit studiul QBTP-urilor

Materialele din lumea reala care gazduiesc QBTP includ anumite iridate de piroclor, puturi cuantice HgTe si grafen cu doua straturi sub campuri electrice aplicate.

Aceste sisteme au atras o atentie semnificativa datorita potentialului lor de a realiza faze cuantice exotice.

De exemplu, in grafenul cu doua straturi, aplicarea unui camp electric poate induce o tranzitie de la o stare QBTP la o stare intrerupta, permitand efectiv controlul electric asupra proprietatilor topologice ale materialului.

Studiul QBTP-urilor se intersecteaza, de asemenea, cu domeniul mai larg al multiferoicilor – materiale care prezinta mai multe ordine feroice simultan.

Unele modele teoretice sugereaza ca structura electronica unica din apropierea QBTP-urilor ar putea facilita cuplarea intre diferiti parametri de ordine, conducand potential la materiale cu raspunsuri imbunatatite la campuri externe sau functionalitati noi pentru spintronica si calculul cuantic.

Mai mult, explorarea QBTP-urilor are implicatii pentru intelegerea noastra a fizicii fundamentale.

Comportamentul electronilor in apropierea acestor puncte poate fi descris de teorii eficiente care prezinta asemanari cu anumite modele din fizica energiei inalte, oferind o platforma unica pentru a studia excitatiile de tip particule exotice si pentru a testa simetriile fundamentale ale naturii.

Aceste descoperiri, desi par abstracte, au conexiuni directe cu proprietatile tangibile care fac ca materiale precum grafenul sa fie atat de promitatoare pentru tehnologiile viitoare.

Oferind o modalitate de a observa si masura direct comportamentele cuantice care sunt in mod normal ascunse vederii, aceasta abordare „materie facuta din lumina” deschide noi posibilitati de intelegere si potential valorificare a fizicii exotice care pandeste in materialele din jurul nostru.

Schema experimentala din figura de mai jos:

(A) Ilustrarea unei retele optice de tip fagure cu doua locatii („A” si „B”) in celula unitara, formata prin suprapunerea a trei fascicule de lumina cu lungime de unda λ = 1064-nm (sageti rosii).

Compensarea frecventelor optice a doua fascicule de retea cu δω1,2(t) accelereaza reteaua si conduce atomii prinsi in retea printr-o traiectorie in cvasi-impuls.

(B) Zonele n = {1, 2, 3, 4} Brillouin ale retelei de fagure sunt afisate in verde, albastru, roz si, respectiv, violet.

(C) Structura de banda a retelei de tip fagure (trasata cu o adancime potentiala de 20 kHz × h) prezinta un LBTP in varietatea benzii orbitale s la q = K si un QBTP in varietatea benzii orbitale p la q = Γ.

Un progres semnificativ in domeniul simularii cuantice

Abilitatea de a proiecta si controla QBTP-uri in sisteme cuantice sintetice, asa cum s-a demonstrat in acest experiment, reprezinta un progres semnificativ in domeniul simularii cuantice.

Le permite oamenilor de stiinta sa cerceteze regimuri fizice dificile sau imposibil de accesat in materialele naturale.

Aceasta abordare ar putea accelera descoperirea de noi faze cuantice si ar putea ajuta la reducerea decalajului dintre predictiile teoretice si realizarile experimentale ale materiei cuantice exotice.

In viitor, studiul QBTP-urilor si al singularitatilor cuantice aferente ar putea deschide calea pentru o noua generatie de dispozitive cuantice.

Acestea ar putea include computere cuantice topologice care sunt in mod inerent protejate impotriva decoerentei, senzori noi care exploateaza raspunsurile unice ale electronilor din apropierea QBTP-urilor sau dispozitive electronice si spintronice avansate care valorifica proprietatile exotice ale acestor stari cuantice.

Pe masura ce capacitatea noastra de a manipula si controla aceste caracteristici cuantice se imbunatateste, este posibil sa fim in pragul unei noi revolutii tehnologice conduse de principiile topologiei cuantice si ale fizicii materiei condensate.

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

Sursa: spacefed.com, scientificamerican.com, science.org.

Credit foto: Jen Christiansen.

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.