Hvad i alverden er en frakton?
Lad mig fortælle dig om noget, der lyder som det hører hjemme i en sci-fi film.
Når du banker på et bord, kan du beskrive vibrationen, der bevæger sig gennem det, som én enkelt "ting" – en fonon. Forskere kalder disse for kvasi-dele. De er ikke fundamentale partikler som elektroner, men mønstre der opstår, når en masse partikler opfører sig samlet. Det er lidt ligesom en bølge – den er ikke bare vand, men den opfører sig stadig som noget, man kan studere.
Forestil dig nu en partikel, der er endnu mærkeligere end det.
Fraktoner dukker op, når man undersøger bestemte magnetiske arrangementer inde i krystaller. De befinder sig i hjørnerne, hvor forskellige magnetiske domæner mødes – lidt ligesom hjørner i et hus altid samler støv. Men det bizare er: de stort set ikke kan bevæge sig.
En enkel frakton er i bund og grund frosset fast. Den kan ikke vrikke sig rundt som normale partikler. Den eneste måde den kan skifte position på, er hvis andre fraktoner kommer forbi og "skubber" til den – via vekselvirkninger med sine naboer. Det er som den ven, der nægter at køre nogen steder, men gerne hopper med, hvis du henter vedkommende først.
Hvorfor skal du overhovedet interessere dig for det?
Det lyder måske bare som endnu en nysgerrighed fra kvantefysikkens verden. Men der er en grund til, at forskerne er begejstrede.
Fordi fraktoner er så fastlåste, kan de potentielt bruges til noget virkelig vigtigt: opbevaring af kvanteinformation.
Almindelige computere har svært ved at holde kvantetilstande stabile, fordi de er så skrøbelige. Den mindste forstyrrelse kan forvirre alt. Men hvis din kvanteinformation er gemt i partikler, der fundamentalt ikke kan bevæge sig rundt – så har du måske en mere robust måde at holde den information sikker på.
Den nye opdagelse
Her bliver det interessant. Forskere har længe mistænkt, at fraktoner kunne eksistere i bestemte kvantetilstande kaldet kvante-spin-væsker. Det er ikke væske som den i din vandflaske. Forestil dig en krystal, hvor elektronernes magnetiske spin aldrig falder til ro i et fast mønster – selv ikke når du køler det ned til næsten absolut nulpunkt. De svæver rundt i en evig kvante-tumbling, ligesom atomer i en væske.
Problemet? Tidligere forudsigelser af fraktoner var baseret på meget abstrakte, generaliserede teorier, der ikke let forbinder til virkelige materialer.
Et hold ved HZB har nu vist, at fraktoner også kan opstå i mere realistiske kvante-fastholdte modeller. Det er en stor ting, fordi det bygger bro mellem "matematikken siger, at dette kunne eksistere" og "vi finder måske faktisk dette i et rigtigt materiale en dag."
De stødte på forhindringer undervejs. Når kvanteeffekterne var for stærke, forsvandt fraktonerne som morgentåg. For svage, og de eksisterede godt nok, men manglede ægte kvanteadfærd – de var i bund og grund bedragere.
Ved at forbedre den måde, deres model repræsenterer spin-interaktioner, fandt holdet et sweet spot, hvor ægte kvante-fraktoner kan eksistere under realistiske forhold.
Hvad sker der nu?
Forskerne arbejder nu på at identificere eller skabe faktiske fysiske systemer, der matcher deres teoretiske model. En lovende vej? Rydberg-atom-simulatorer, der kan indfange atomer og kontrollere deres kvanteforhold med utrolig præcision.
Hvis alt går vel, kan vi måske endelig påvise disse elusiva partikler eksperimentelt – partikler der engang var rene teoretiske nysgerrigheder, kan blive grundlaget for helt nye teknologier.
Forestil dig at opbevare kvanteinformation i partikler, der stædigt nægter at tage nogen steder hen. Nogle gange viser de mest immobile ting sig at være de mest værdifulde.
Kilde: ScienceDaily