Hva i all verden er egentlig fraktaler?
La meg forklare noe fascinerende som høres ut som det hører hjemme i en sci-fi-film.
Når du banker på et bord, kan du beskrive vibrasjonen som brer seg gjennom det som én enkelt «ting» kalt et fonon. Forskere kaller disse kvasi-partikler – de er ikke grunnleggende partikler som elektroner, men mønstre som oppstår når massevis av partikler oppfører seg samlet. Det er som med bølger: de er ikke bare vann, men de oppfører seg likevel som noe du kan studere.
Tenk deg nå en partikkel som er enda mer merkelig.
Fraktaler er det du får når du ser på bestemte magnetiske konfigurasjoner inni krystaller. De dukker opp i hjørnene der ulike magnetiske domener møtes – litt som hvordan hjørner i et hus alltid samler støv. Men her kommer det virkelig spesielle: disse greiene kan knapt bevege seg.
En enkelt fraktal er egentlig frosset på plass. Den kan ikke vingle rundt som vanlige partikler. Det eneste som kan flytte den, er hvis andre fraktaler kommer bort og «dytter» den – gjennom samspill med naboene. Det er som den vennen som nekter å kjøre noe sted, men helt klart er med på samkjøring hvis du henter dem først.
Hvorfor bør du bry deg?
Dette kan høres ut som nok en nysgjerrighet fra kvantefysikkens verden, men det er en grunn til at forskerne er begeistret.
Fordi fraktaler sitter så godt fast, kan de være nyttige for noe veldig viktig: å lagre kvanteinformasjon.
Vanlige datamaskiner sliter med å holde kvantetilstander stabile fordi de er så skjøre. Den minste forstyrrelsen kan rote til alt. Men hvis kvanteinformasjonen din er lagret i partikler som fundamentalt ikke kan bevege seg rundt, kanskje – bare kanskje – har du en mer robust måte å holde den informasjonen trygg på.
Den nye oppdagelsen
Her blir det interessant. Forskere har lenge mistenkt at fraktaler kan eksistere i bestemte kvantetilstander som kalles kvante-spinn-væsker. Dette er ikke som væsken i vannflasken din. Tenk deg heller en krystall der elektronenes magnetiske spinn aldri faller til ro i et fast mønster, selv når du kjøler den ned til nær absolutt nullpunkt. De svinger stadig, kvantemekanisk tumbling som atomer i en væske.
Problemet? Tidligere spådommer om fraktaler bygde på veldig abstrakte, generelle teorier som ikke lett lar seg koble til virkelige materialer.
Et team ved HZB har nå vist at fraktaler også kan oppstå i mer realistiske kvante-faststoff-modeller. Dette er en stor greie fordi det bygger en bro mellom «matematikken sier dette kan eksistere» og «vi kan kanskje faktisk finne dette i et ekte material en dag.»
De har møtt på hindringer før. Når kvanteeffektene var for sterke, forsvant fraktalene som morgendis. For svake, og de eksisterte riktignok, men manglet ekte kvantetoppførsel – altså var de bare imitasjoner.
Ved å forbedre hvordan modellen representerer spinn-vekselvirkninger, fant teamet et balansepunkt der ekte kvante-fraktaler kan eksistere under realistiske forhold.
Hva skjer videre?
Forskerne jobber nå med å identifisere eller lage faktiske fysiske systemer som matcher den teoretiske modellen deres. En lovende vei? Rydberg-atom-simulatorer, som kan fange atomer og kontrollere kvanteegenskapene deres med utrolig presisjon.
Hvis alt går bra, kan vi endelig påvise disse ulne partiklene eksperimentelt – partikler som en gang var rene teoretiske kuriositeter, kan bli grunnmuren i nye teknologier.
Tenk deg å lagre kvanteinformasjon i partikler som sta nekter å dra noe sted. Noen ganger er de mest urørlige tingene de mest verdifulle.
Kilde: ScienceDaily