Topolog forudsiger ny form for stof

Tilbage i 1970 lavede en ung fysiker, der arbejdede i Sovjetunionen, en kontraintuitiv forudsigelse. Vitaly Efimov, nu ved University of Washington i USA, viste, at kvanteobjekter, der ikke kan danne par, alligevel kan formes til trillinger.

I 2006 fandt en gruppe i Østrig det første eksempel på en sådan såkaldt Efimov-tilstand i en kold gas af cæsiumatomer.

Det er gådefuldt. Sikkert er de bindinger, der holder trillinger sammen, de samme som dem, der binder par. Faktisk nej! Det viser sig, at der er en subtil, men vigtig forskel, der gør disse bindinger helt anderledes.

I dag kommer Nils Baas ved Norges Tekniske og Naturvidenskabelige Universitet endnu en opsigtsvækkende forudsigelse. Han siger, at de mærkelige, ujordiske bindinger, der tillader cæsiumatomer at klæbe sammen i trillinger, også burde gøre det muligt for meget mere komplekse objekter at dannes. Faktisk siger han, at vi er på nippet til at opdage en helt ny form for stof styret af en helt ny gren af ​​fysikken.

Bag dette mærkelige resultat er en gren af ​​matematikken kaldet topologi, studiet af form. Topologi beskæftiger sig især med formegenskaberne, der bevares, når en genstand klemmes, strækkes og stødes, men ikke rives i stykker.

Et nyttigt eksempel at overveje er den berømte borromæiske ring vist ovenfor til venstre. Den består af tre cirkler, der er flettet sammen på en sådan måde, at skæring af en frigiver de to andre.

Et nøglepunkt her er, at cirklerne i et fladt 2-dimensionelt plan ikke kan danne en borromæsk ring. Men indfør en tredje dimension, og lige pludselig kan cirklerne forbindes på denne måde. Selvfølgelig ville enhver flatlander, der bor i dette 2D-plan, blive fuldstændig forvirret over denne ejendom.

Det viser sig, at der er formel matematisk analogi mellem den borromæiske ring og de mærkelige trillinger af cæsium, som Efimov forudsagde. Kvantemekanikkens og topologiens matematik viser sig at være den samme.

Men her er sagen: de bindinger, der opstår fra kvantemekanikkens topologi, er fuldstændigt verdensfjerne. Mens almindeligt stof, de ting du slår dine knoer på, tydeligvis er begrænset til tre dimensioner, eksisterer matematikken i kvantemekanikken i et helt andet sæt af dimensioner. Og det er i dette rum, at de borromæiske ringe dannes.

Resultatet er en slags parallelfysik, hvor lovene, der styrer adfærden i dette parallelle univers, udøver et uundgåeligt, spøgelsesagtigt greb om vores eget univers.

Og det er ikke kun bindingerne mellem atomer, der påvirkes. Fysikere begynder at bygge ledere og isolatorer, hvor elektronernes bevægelse er styret af kvantemekanikkens topologi. Såkaldte topologiske isolatorer er et stort emne i faststoffysik lige nu.

Og topologien er ved at udvide sin indflydelse, hvis Baas har sin vilje. Han påpeger, at borromæiske ringe blot er det enkleste eksempel på et helt periodisk system af topologiske strukturer. Og hvis det er muligt at lave Efimov-stater, der svarer til borromæiske ringe, så burde det også være muligt at lave de andre.

Denne familie af ting vil være en ny tilstand, der er styret af nyhedsregler, en slags Efimov-fysik.

Hvordan kan det her opføre sig? Det er endnu ikke klart, men Baas rejser en interessant mulighed. Den dybe og ujordiske forbindelse mellem partikler i Efimov-stater er bemærkelsesværdigt lig kvantesammenfiltring.

Ingen er helt sikre på, om de er identiske, men hvis de er, så vil Efimov-fysikken give en ny måde at tænke på sammenfiltring og hvordan man genererer og udnytter det. Det vil have vigtige konsekvenser for kryptografi, databehandling og informationsvidenskab generelt.

Den nobelprisvindende fysiker Murray Gell-Mann udtalte engang, at: Alt, der ikke er forbudt, er obligatorisk. Han henviste til den måde, partikler interagerer på i kvantemekanikken. Med andre ord, hvis der ikke er nogen grund til, at partikler ikke kan interagere på en bestemt måde, så skal de interagere på den måde.

Det ser ud som om, vi er ved at se, hvor dybtgående og vidtrækkende denne udtalelse egentlig var.

Ref: arxiv.org/abs/1012.2698 : Nye materiens tilstande foreslået af nye topologiske strukturer

skjule