Fractons - Vật Chất Kỳ Lạ Nhất, Có Thể Mở Ra Điều Gì Đó Về Lượng Tử

Bàn làm việc của bạn được tạo thành từ những nguyên tử riêng biệt, nhưng từ xa bề mặt của nó trông nhẵn bóng. Ý tưởng đơn giản này nằm ở trung tâm của tất cả các mô hình về thế giới vật lý của chúng ta. Chúng ta có thể mô tả điều gì đang xảy ra tổng thể mà không bị rối vào những tương tác phức tạp giữa mỗi nguyên tử và electron.

Vì vậy, khi một trạng thái vật chất lý thuyết mới được phát hiện với những đặc điểm vi mô của nó kiên cố tồn tại ở mọi quy mô, nhiều nhà vật lý từ chối tin vào sự tồn tại của nó.

“Khi tôi đầu tiên nghe về fractons, tôi nói không thể có sự thật, vì nó hoàn toàn làm tôi phải đổi ý kiến về cách hệ thống hoạt động,” nói Nathan Seiberg, một nhà lý thuyết vật lý tại Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Princeton, New Jersey. “Nhưng tôi đã sai. Tôi nhận ra mình đã sống trong sự phủ nhận.”

Khả năng lý thuyết về fractons đã làm ngạc nhiên các nhà vật lý vào năm 2011. Gần đây, những trạng thái vật chất kỳ lạ này đã dẫn dắt các nhà vật lý đến các khung lý thuyết mới có thể giúp họ giải quyết một số vấn đề khó khăn nhất trong vật lý cơ bản.

Fractons là các hạt giả tưởng - các thực thể giống như hạt xuất hiện từ sự tương tác phức tạp giữa nhiều hạt cơ bản bên trong một vật liệu. Nhưng fractons kỳ lạ hơn so với các hạt giả tưởng kỳ lạ khác, vì chúng hoàn toàn không di động hoặc chỉ có thể di chuyển một cách hạn chế. Không có gì trong môi trường của chúng ngăn fractons di chuyển; ngược lại, đó là một tính chất cố hữu của chúng. Điều này có nghĩa là cấu trúc vi mô của fractons ảnh hưởng đến hành vi của chúng trên các khoảng cách lớn.

“Điều đó hoàn toàn gây sốc. Đối với tôi, đó là giai đoạn vật chất kỳ lạ nhất,” nói Xie Chen, một nhà lý thuyết về vật chất nguyên tố tại Viện Công nghệ California.

Phân tử Phi Tính

Năm 2011, Jeongwan Haah, lúc đó là sinh viên nghiên cứu tại Caltech, đang tìm kiếm các giai đoạn của vật chất không bình thường mà có tính ổn định đến mức có thể được sử dụng để bảo vệ bộ nhớ lượng tử, thậm chí ở nhiệt độ phòng. Sử dụng một thuật toán máy tính, anh ta phát hiện ra một giai đoạn lý thuyết mới được gọi là Mã Haah. Giai đoạn này nhanh chóng thu hút sự chú ý của các nhà vật lý khác vì những hạt giả tưởng kỳ lạ không di động tạo nên nó.

Chúng có vẻ, từng cái, giống như những phần nhỏ của hạt, chỉ có thể di chuyển khi kết hợp. Sớm sau đó, các giai đoạn lý thuyết khác được tìm thấy với những đặc điểm tương tự, và do đó, vào năm 2015, Haah—cùng với Sagar Vijay và Liang Fu—đặt ra thuật ngữ “fractons” cho những hạt giả tưởng kỳ lạ này. (Một bài báo trước đó, bị bỏ qua của Claudio Chamon, nay được công nhận với việc khám phá ban đầu về hành vi fracton.)

Để thấy điều gì đặc biệt về các giai đoạn fracton, hãy xem xét một hạt phổ thông hơn, như một electron, di chuyển tự do qua một vật liệu. Cách lạ mắt nhưng thông thường mà một số nhà vật lý hiểu về sự di chuyển này là electron di chuyển vì không gian đầy với các cặp electron-positron tạm thời xuất hiện và biến mất. Một cặp như vậy xuất hiện sao cho positron (antiparticle có điện tích ngược với electron) đặt lên trên electron gốc và chúng hủy diệt nhau. Điều này để lại electron từ cặp đó, bị di chuyển so với electron gốc. Vì không có cách phân biệt giữa hai electron, chúng ta chỉ cảm nhận được một electron duy nhất di chuyển.

Bây giờ hãy tưởng tượng rằng các cặp hạt và antiparticle không thể xuất hiện từ hư vô mà chỉ có thể là hình vuông của chúng. Trong trường hợp này, một hình vuông có thể xuất hiện sao cho một antiparticle nằm trên đỉnh của hạt gốc, hủy diệt góc đó. Một hình vuông thứ hai sau đó nảy ra từ hư vô sao cho một trong các cạnh của nó hủy diệt với một cạnh từ hình vuông đầu tiên. Điều này để lại phía trái của hình vuông thứ hai, cũng bao gồm một hạt và một antiparticle. Rồi sự di chuyển kết quả là cặp hạt-antiparticle di chuyển ngang bằng một đường thẳng. Trong thế giới này—một ví dụ về một giai đoạn fracton—việc di chuyển của một hạt đơn lẻ bị hạn chế, nhưng một cặp có thể di chuyển dễ dàng.

Mã Haah đưa hiện tượng này đến mức cực kỳ: Hạt chỉ có thể di chuyển khi các hạt mới được triệu hồi trong các mô hình lặp vô tận được gọi là fractals. Giả sử bạn có bốn hạt được sắp xếp thành một hình vuông, nhưng khi bạn phóng to vào từng góc, bạn sẽ tìm thấy một hình vuông khác của bốn hạt gần nhau. Phóng to vào một góc lại và bạn sẽ tìm thấy một hình vuông khác, và cứ như vậy. Đối với một cấu trúc như vậy xuất hiện trong hư vô đòi hỏi quá nhiều năng lượng, không thể di chuyển loại fracton này. Điều này cho phép qubits rất ổn định—các bit của máy tính lượng tử—được lưu trữ trong hệ thống, vì môi trường không thể làm xáo trộn trạng thái tinh tế của qubits.

Sự không thể di động của fractons làm cho việc mô tả chúng như một dải liên tục từ xa trở nên rất khó khăn. Bởi vì các hạt thường có thể di chuyển tự do, nếu bạn đợi đủ lâu, chúng sẽ chuyển đến một trạng thái cân bằng, được định nghĩa bởi các tính chất tổng thể như nhiệt độ hoặc áp suất. Vị trí ban đầu của các hạt không còn quan trọng. Nhưng fractons bị kẹt ở các điểm cụ thể hoặc chỉ có thể di chuyển kết hợp theo các đường hoặc mặt nhất định. Mô tả chuyển động này đòi hỏi theo dõi vị trí đặc biệt của fractons, và do đó, các giai đoạn không thể thoát khỏi tính chất vi mô của chúng hoặc chấp nhận mô tả liên tục thông thường.

Hành vi vi mô kiên quyết của chúng khiến cho việc “đặt ra thách thức trong việc tưởng tượng ví dụ về fractons và suy nghĩ sâu về những điều có thể,” như Vijay, một nhà lý thuyết tại Đại học California, nói. “Mà không có mô tả liên tục, làm thế nào chúng ta định nghĩa những trạng thái vật chất này?”

“Chúng ta đang thiếu một phần lớn những thứ,” nói Chen. “Chúng ta không có ý tưởng làm thế nào để mô tả chúng và chúng có ý nghĩa gì.”

Một Khung Cảnh Fracton Mới

Fractons vẫn chưa được tạo ra trong phòng thí nghiệm, nhưng điều đó có thể sẽ thay đổi. Một số tinh thể cụ thể có những khuyết tật không thể di chuyển đã được chỉ ra là toán học tương tự với fractons. Và cảnh quan fracton lý thuyết đã mở ra ngoài những gì ai cũng dự đoán, với các mô hình mới xuất hiện hàng tháng.

“Có lẽ trong tương lai gần, ai đó sẽ lấy một trong những đề xuất này và nói, ‘Được rồi, hãy thực hiện một thí nghiệm anh hùng với các nguyên tử lạnh và thực hiện chính xác một trong những mô hình fracton này,’” nói Brian Skinner, một nhà vật lý vật chất tại Đại học Ohio đã phát minh ra các mô hình fracton.

Ngay cả khi chúng chưa được thực tế trong thực nghiệm, khả năng lý thuyết của fractons chỉ đơn giản là đủ để làm chuông báo động vang lên trong tâm trí của Seiberg, một chuyên gia hàng đầu về lý thuyết trường lượng tử, khung lý thuyết mà hầu hết tất cả hiện tượng vật lý đều được mô tả.

Lý thuyết trường lượng tử mô tả các hạt rời rạc như những hứng thú trong các trường liên tục trải dài qua không gian và thời gian. Đó là lý thuyết vật lý thành công nhất từng được phát hiện, và nó bao gồm mô hình tiêu chuẩn về vật lý hạt nhân—phương trình chính xác ấn tượng quy định tất cả các hạt cơ bản đã biết.

“Fractons không vừa với khung lý thuyết này. Vì vậy quan điểm của tôi là khung lý thuyết này chưa hoàn chỉnh,” nói Seiberg.

Còn nhiều lý do khác khiến cho lý thuyết trường lượng tử không hoàn chỉnh—đầu tiên, nó đến nay vẫn không thể giải thích được lực hấp dẫn. Nếu họ có thể tìm ra cách mô tả fractons trong khung lý thuyết trường lượng tử, Seiberg và các nhà lý thuyết khác dự đoán sẽ có gợi ý mới về một lý thuyết lực hấp dẫn lượng tử khả thi.

“Sự rời rạc của fractons có thể là nguy cơ tiềm ẩn, vì nó có thể phá hủy toàn bộ cấu trúc mà chúng ta đã có,” nói Seiberg. “Nhưng bạn có thể nói đó là một vấn đề, hoặc bạn có thể nói đó là một cơ hội.”

Anh ấy và đồng nghiệp của mình đang phát triển các lý thuyết trường lượng tử mới lạ cố gắng bao quát sự kỳ lạ của fractons bằng cách cho phép một số hành vi rời rạc trên cơ sở của không gian thời gian liên tục.

“Lý thuyết trường lượng tử là một cấu trúc rất tinh tế, vì vậy chúng tôi muốn thay đổi các quy tắc ít nhất có thể,” anh ta nói. “Chúng tôi đang đi trên mảnh băng mỏng, hy vọng sẽ đến bên kia.”

Câu chuyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập biên tập của Simons Foundation, có nhiệm vụ làm tăng hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách báo cáo về các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học vật lý và sinh học.

Những Điều Tuyệt Vời Khác Trên MYTOUR

• 📩 Thông tin mới nhất về công nghệ, khoa học, và nhiều hơn nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Một lịch sử dân chủ về Black Twitter, phần I
• Bước ngoặt mới nhất trong tranh cãi về cuộc sống trên Venus? Núi lửa
• WhatsApp có một giải pháp an toàn cho một trong nhược điểm lớn nhất của nó
• Tại sao một số tội ác tăng khi Airbnb xuất hiện trong thị trấn
• Làm thế nào để làm cho ngôi nhà của bạn thông minh với các chuỗi Alexa
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🎮 MYTOUR Games: Nhận các mẹo, đánh giá, và nhiều hơn nữa
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để trở nên khỏe mạnh? Kiểm tra các lựa chọn của đội ngũ Gear của chúng tôi cho bộ theo dõi sức khỏe tốt nhất, đồ chạy bộ (bao gồm giày và tất), và tai nghe tốt nhất