Гравитационна аномалия в кристала

Симетрията пробива чрез екстремни гравитационни ефекти, открити за първи път в лабораторията

Вселената в кристал: Физиците откриха в кристал квантова аномалия, която иначе се случва само при екстремна гравитация. © Робърт Страссер, Кийс Шерер / IBM Research
чете на глас

Вълнуващ пробив: За първи път физиците генерираха гравитационна квантова аномалия в лабораторията, която по-рано се смяташе за невъзможна за откриване. Защото в противен случай се случва под силната гравитация на неутронни звезди, черни дупки или малко след големия взрив. Но в екзотичен кристал, изследователите успяха да наблюдават тази аксиално-гравитационна квантова аномалия, както съобщават в списание „Nature“.

Според съвременната теория, при екстремни условия в Космоса може да възникне квантова аномалия: В екстремните гравитационни полета на неутронни звезди, черни дупки или в кварк-глюонната плазма малко след Големия взрив се нарушава фундаментална симетрия. В нормално огледално-симетрични двойки двойки частици, една от частиците сега трябва да се среща по-често или да притежава повече енергия и инерция от партньора си.

Не е измеримо на земята?

Въпреки това, тъй като тази така наречена аксиално-гравитационна квантова аномалия възниква само при тези екстремни условия, тя не е доказана експериментално. Защото никоя лаборатория в света не може да подражава на огромната гравитация в неутронна звезда. "Тази аномалия е толкова трудна за измерване, че дори косвените доказателства са основен пробив", каза съавторът Адолфо Грушин от Калифорнийския университет в Бъркли.

Точно това биха могли да постигнат той и колегите му. Те са открили, че температурните градиенти в екзотичните кристали могат да имитират ефекта на силните гравитационни полета. „Това се основава на известната формула на Айнщайн E = mc 2 “, обяснява първият автор Йоханес Гоут от изследователския център на IBM в Цюрих. „В релативистката теория на квантовото поле енергийният и масовият поток стават еднакви“.

Екзотични двойки квазичастици: Вейл фермиони в кристал. © Су-Ян Сю, М. Захид Хасан, Принстънски университет / CC-by-sa 4.0

Квазичастици в екзотичния кристал

За своя експеримент изследователите са използвали така наречения Weyl metal кристал от ниобий и фосфор, при който при определени условия образуват двойки Weyl fermions. Тези квазичастици, произведени от поведението на електроните, се различават от нормалните електрони по това, че изглежда не притежават маса и винаги се срещат само по двойки с противоположен спин. показ

Полуметалът на Вейл постави изследователите в електронна измервателна верига, приложи магнитно поле и след това генерира температурен градиент в кристала. Този модел, както обикновено се смята, имитира изкривяването на пространството-времето, което в противен случай се случва само при силна гравитация.

Прекъсване на симетрията на двойката

Щом това се случи, възникна токов поток, който продължи да нараства с увеличаване на магнитното поле. Това обаче не трябва да се случва, ако симетрията на ферментите на Вайл се запази. Тъй като енергията и инерцията на двамата партньори са еднакви, само завъртането им е различно, както обясняват учените.

Според изследователите този ефект може да се обясни само с квантова аномалия: в кристала левичарите частици трябва да се държат по различен начин от декстроротаторните, например като дават на един от партньорите малко повече енергия или импулс. По този начин прекъсването на симетрията съответства на поведението, предвидено за частици под екстремни гравитационни полета, според Gooth и неговите колеги.

Гравитационна квантова аномална диаграма обяснена IBM Research

„Невероятно вълнуващо откритие“

"Това наблюдение е в съответствие с наличието на аксиално-гравитационна квантова аномалия", казват физиците. "Той предоставя ясно доказателство за теоретична концепция, която се е избегнала от експериментални доказателства досега." Ако бъде потвърдено, изследователите щяха да покажат за първи път, че тази гравитационно-квантова аномалия също беше съществува на Земята във физиката на твърдото тяло и е откриваем.

„Това е невероятно вълнуващо откритие“, казва съавторът Карл Ландщайнер от Автономния университет в Мадрид. "Изводът е ясен: същото нарушение на симетрията може да се наблюдава във всяка физическа система, независимо дали е от началото на Вселената или тук, на Земята."

Gooth добавя: „Първата експериментална демонстрация на тази квантова аномалия на Земята е много важна за нашето разбиране на Вселената. С новите открития можем да разработим и напълно нови елементи за превключване на твърдо състояние, които никога не биха били обмисляни преди. Това ни предоставя безпрецедентни възможности да надхвърлим границите на класическите електрически превключватели. "(Nature, 2017; doi: 10.1038 / nature23005)

(IBM Research, Nature, Институт Макс Планк за химическа физика на твърди вещества, 21.07.2017 - НКО)