Вчені відкрили гравітаційну аномалію у кристалі на Землі

Згідно з публікацією у Nature, команда дослідників матеріалознавців та спеціалістів з Теорії струн відкрили у кристалі одну з найекзотичніших квантових аномалій, яка раніше вважалась лише особливістю кривини простору-часу у Загальній теорії відносності Айнштайна.

Вчені були надзвичайно здивовані тим, що цей феномен також присутній на Землі і пов’язаний з властивостями особливого кристала – Вейлівського напівметалу. По суті, аномалія з області симетрії та гравітації опинилась у просторі фізики твердого тіла, на якій базуються усі сучасні обчислювальні технології.

Діаграма гравітаційної аномалії
Співавтор статті доктор Карл Ландтштайнер намалював цю схему, щоби описати гравітаційну аномалію. Джерело: IBM Research

Порушення симетрії під носом

Сучасна фізика наділила нас дивними та геть контрінтуїтивними уявленнями про реальність. Чого лише вартує квантова фізика, яка відома тим, що залишає матеріальні об’єкти у стані суперпозиції – у декількох станах одночасно. Класичним та популярним прикладом є Кіт Шредінґера, який не в змозі вирішити, чи мертвий він, чи живий у даний момент.

Одним з ключових елементів фізики залишається симетрія. Симетрія означає, що об’єкт може бути перетвореним певним чином, однак при цьому він залишиться інваріантним, тобто його властивості не зміняться. Наприклад, тенісний м’ячик можна повернути під випадковим кутом, однак його вигляд не зміниться. У такому випадку його можна назвати симетричним. Так Симетрія дозволяє фізикам робити прогнози та перевіряти закони у дії.

Проте існують випадки, коли закони квантової механіки порушують симетрію. Це те, чого ми певно не очікуємо побачити у реальному світі, де діє класична фізика. Але такі порушення симетрії дивують навіть фізиків, тому вони називають це “аномалією”.

Досі вчені досліджувати такі квантові аномалії на елементарних частинках у лабораторних умовах, зокрема на прискорювачах елементарних частинок, як у CERN. Проте новий тип матеріалів – Вейлівські напівметали – відкрили для людства можливість вивчати квантові аномалії, які порушують симетрію, наче повсякденне явище.

У таких матеріалах електрони починають поводити себе як елементарні частинки у прискорювачах високих енергій. Вони мають особливість безперервно рухатись з постійною швидкістю. Крім того, електрони мають спін – магнітну характеристику, яка може вказувати на напрямок руху або у протилежний бік.

Підручники називають це хіральністю: за допомогою власної долоні можна визначити напрямок ліній невидимого магнітного поля, напрямок струму у провіднику або розташування атомів у молекулі. Але головне – ваші долоні також симетричні.

Фундаментальна земна квантова аномалія

За звичайних умов два різні види квантових частинок, які ідентичні між собою за винятком їхньої хіральності (одна – права, інша – ліва), несуть за собою ексклюзивну симетрію. Окрема симетрія “зберігає” за частинками їхні числа, проте аномалія здатна порушити цей зв’язок та перетворити частинку з лівою хіральністю на частинку з правою хіральністю.

“Вперше ми експериментально спостерігали цю фундаментальну квантову аномалію на Землі, яка надзвичайно важлива для нашого розуміння Всесвіту.”,

– розповів Йоханнес Гут, дослідник IBM та провідний автор статті –

“Тепер ми можемо побудувати на основі цієї аномалії нові твердотілі пристрої, про які ми навіть не думали раніше, потенційно позбутись проблем, які властиві класичним електронним пристроям, таким як транзистори.”

Розрахунки дослідників, в яких вони використали методи Теорії струн, також показали, що ця аномалія відповідальна за явище появи струму у провіднику за умови його нагрівання та одночасного розміщення у магнітному полі.

“Це неймовірно захоплююче відкриття. Ми можемо чітко зробити висновок, що таке ж порушення симетрії можна спостерігати в будь-якій фізичній системі, незалежно від того, чи сталося це на початку Всесвіту, чи відбувається сьогодні, прямо тут, на Землі”,

– написав професор Др. Карл Ландштайнер, фізик-теоретик з Інституту теоретичної фізики в Мадриді UAM / CSIC та співавтор статті.

У IBM вже оцінюють перспективи відкриття та можливе впровадження у системи електричного перетворення енергії. Аномалія з порушенням симетрії тепер стане предметом дослідження інженерів, а не лише фізиків, які спеціалізуються на Теорії струн та Загальній теорії відносності.

За матеріалами: Phys.org, Nature.com

Сподобалась стаття? Придбайте нам , а ми напишемо ще.
Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або