Mitä ihmettä ovat fraktonit?
Hei, nyt tulee jotain todella mielenkiintoista – juttu, joka kuulostaa suoraan tieteisfilmistä.
Oletko miettinyt, mitä tapahtuu kun napautat pöytää? Pinta väreilee, ja tuo värähdys etenee materiaalin läpi. Fyysikot kutsuvat tällaista ilmiötä fononiksi. Se ei ole oikea hiukkanen – ei elektroni tai kvarkki – vaan pikemminkin malli, joka syntyy, kun valtava määrä hiukkasia käyttäytyy yhdessä. Vähän kuin aalto: ei pelkkää vettä, mutta toimii kuin itsenäinen kohde.
Nyt kuvittele hiukkanen, joka on vielä oudompi.
Fraktonit
Fraktonit löytyvät tietyistä kiteiden magneettisista rakenteista. Ne ilmestyvät sinne, missä eri magneettiset alueet kohtaavat – aivan kuten nurkkaukset keräävät pölyä kodeissamme.
Mutta tässä tulee se todellinen juttu: nämä hiukkaset eivät juuri liiku.
Yksittäinen fraktoni on käytännössä jäätynyt paikalleen. Se ei pysty heilumaan ympäriinsä normaalien hiukkasten tapaan. Ainoa tapa sen siirtymiseen on, että muut fraktonit törmäävät siihen naapureidensa kautta. Tiedätkö sen kaverin, joka ei suostu ajamaan minnekään, mutta lähtee mielellään kyytiin jos hänet ensin haetaan? Jotain sen tapaista.
Miksi tämä kiinnostaa?
Tämä kuulostaa ehkä vain yhdeltä kvanttimekaniikan kuriositeetilta, mutta tutkijoilla on hyvä syy innostua.
Koska fraktonit ovat niin paikallaan, ne saattavat sopia erinomaisesti erääseen tärkeään tehtävään: kvantti-informaation tallentamiseen.
Tavalliset tietokoneet kamppailevat kvanttitilojen kanssa, koska ne ovat hämmästyttävän hauraita. Pienikin häiriö sotkee kaiken. Mutta entä jos kvantti-informaatio olisi tallennettu hiukkasiin, jotka eivät voi periaatteessa liikkua? Silloin se saattaisi pysyä turvassa paljon paremmin.
Uusi löytö
Tässä asia menee jännäksi. Tutkijat ovat pitkään epäilleet, että fraktonit saattavat esiintyä tietyissä aineen kvanttitiloissa, niin sanotuissa kvanttipinenestepinnoissa. Nimi on harhaanjohtava – kyse ei ole pullossa olevasta nesteestä. Kyllä, kyse on kiteestä, mutta sellaisesta, jossa elektronien magneettiset spinat eivät koskaan asetu kiinteään järjestykseen, vaikka aine jäähdytettäisiin lähelle absoluuttista nollapistettä. Ne pyörivät jatkuvasti kvanttihyppyinä kuin atomeja nestemäisessä aineessa.
Ongelma? Aiemmat ennusteet fraktoneista perustuivat hyvin abstrakteihin, yleisiin teorioihin, jotka eivät helposti yhdistyneet todellisiin materiaaleihin.
HZB:n tutkimusryhmä on nyt osoittanut, että fraktonit voivat syntyä myös realistisemmissa kiinteän olomuodon kvanttimalleissa. Tämä on merkittävä edistysaskel, sillä se kuroo umpeen kuilua "matematiikka sanoo, että tämä voisi olla olemassa" ja "saattaa löytyä todellisesta materiaalista" välillä.
Aiemmin tutkijat kohtasivat esteitä. Kun kvanttiefektit olivat liian voimakkaita, fraktonit katosivat kuin aamun sumu. Liian heikkoina taas ne kyllä näyttäytyivät, mutta puuttui aito kvanttikäyttäytyminen – kyseessä oli vain huijaus.
Mallin spin-vuorovaikutusten parantaminen toi esiin kultaisen keskitien, jossa aidot kvanttfraktonit voivat esiintyä todellisissa olosuhteissa.
Mitä seuraavaksi?
Tutkijat työskentelevät nyt löytääkseen tai luodakseen fyysisiä järjestelmiä, jotka vastaavat heidän teoreettista malliaan. Yksi lupaava suunta? Rydberg-atomisimulaattorit, jotka pystyvät vangitsemaan atomeja ja hallitsemaan niiden kvanttiominaisuuksia hämmästyttävällä tarkkuudella.
Jos kaikki sujuu hyvin, saamme ehkä viimein havaittuakin nämä kiertämättömät hiukkaset kokeellisesti. Hiukkaset, jotka olivat aiemmin puhtaasti teoreettisia utopioita, saattavat tulla uusien teknologioiden perustaksi.
Kuvittele kvantti-informaation tallentamista hiukkasiin, jotka itsepintaisesti kieltäytyvät lähtemästä mihinkään. Joskus liikkumattomimmat asiat osoittautuvat arvokkaimmiksi.
Lähde: ScienceDaily