Kwazicząstki - fizyka, a nawet magia. A co, jeśli wszystko składa się z niby-cząstek?
Kwazicząstki powstają w wyniku skomplikowanych oddziaływań ogromnych liczb innych cząstek (1). Fizycy opisują je w ciele stałym, cieczy lub plazmie poddanym ekstremalnym temperaturom i ciśnieniom. Powstały wskutek oddziaływać system owych niby-cząstek może być całkiem stabilny i mieć dobrze zdefiniowane właściwości, takie jak masa i ładunek.
Polarony, na przykład, kwazicząstki powstające jako wynik lokalnego odkształcenia sieci krystalicznej spowodowanego oddziaływaniem elektrostatycznym w wyniku przemieszczania się w krysztale naładowanej cząstki (elektronu lub dziury), odkryte przez Leva Landaua w 1933 roku, opisywane są przez liniowe oddziaływania elektronów-fononów, przy czym te drugie same są kwazicząstkami, kwantami energii drgań sieci krystalicznej o bozonowych własnościach.
Naukowcy mogą opisywać kwazicząstki, które mają precyzyjnie określony ułamkowy ładunek elektronowy lub spinowy. Jednak sposób, w jaki powstają te egzotyczne właściwości składające się na kwazicząstki, wciąż nie jest całkiem zrozumiałe. "To jest dla nas jak magia", mawia znawca tej dziedziny, Sankar Das Sarma, fizyk zajmujący się materią skondensowaną na Uniwersytecie Maryland.
Korzystając po trosze z własnej intuicji, domysłów a po trosze - z symulacji komputerowych, fizycy materii skondensowanej powoli radzą z ustaleniem, które kwazicząstki są teoretycznie możliwe, a które są wyłącznie wymysłem. Jednocześnie w laboratoriach badawczych, w których fizycy poddają nowe materiały coraz nowszym ekstremalnym warunkom, ogród zoologiczny kwazicząstek szybko się rozrasta i stają się one coraz bardziej egzotyczne.
Ostatnie odkrycia mówią m.in. o pi-tonach, nieruchomych fraktonach i odkształconych wrinklonach. Czy one istnieją "naprawdę"? To niełatwe pytanie, a może źle postawione. Fizycy mają pewność, że istnieje zestaw właściwości, który składa się na ich powstanie.
Dziury i komputery kwantowe
Być może nie każdy elektronik się nad tym zastanawiał, ale jedną z najwcześniej odkrytych kwazicząstek była dobrze mu znana "dziura", która jest po prostu brakiem elektronu w miejscu, w którym powinien istnieć. Fizycy w latach 40. odkryli, że dziury poruszają się wewnątrz ciał stałych zupełnie tak, jak dodatnio naładowane cząstki. Jeszcze dziwniejsze, również znane od dość dawna jako hipoteza, i potencjalnie bardzo użyteczne, są kwazicząstki Majorany, które cechuje swoiste rozdwojenie jaźni - są jednocześnie w połowie elektronami i w połowie dziurami.
W 2010 r. Das Sarma i jego współpracownicy dowodzili, że kwazicząstki Majorany mogą być wykorzystane do stworzenia komputerów kwantowych. Kiedy poruszamy elektronem i dziurą wokół siebie, przechowują one informacje jak rodzaj splecionego wzoru. Różne pozycje cząstek i kwazicząstek odpowiadają jedynkom, zerom i superpozycjom "1" i "0", co łącznie daje bity (kubity) obliczeń kwantowych.
Próby zbudowania efektywnych komputerów kwantowych jak dotąd kończyły się niepowodzeniem, ponieważ kwantowe superpozycje większości typów cząstek rozpadają się, gdy stają się zbyt gorące lub gdy zderzają się z innymi cząstkami. Nie jest tak w przypadku kwazicząstek Majorany. Ich nadzwyczajny skład sprawia, że mają zerową energię i zerowy ładunek, a to teoretycznie pozwala im istnieć wewnątrz pewnego rodzaju nadprzewodnika, czyli materiału, który przewodzi prąd elektryczny bez oporu. Żadne inne cząstki nie mogą w tym hipotetycznym materiale istnieć, co tworzy "lukę" uniemożliwiającą rozpad kwazicząstki Majorany. Nadprzewodząca szczelina, jak wyjaśnia to Das Sarma, chroni Majorany. Przynajmniej jest tak w teorii.
Od 2010 r. eksperymentatorzy dążą do zbudowania rzeczywistych kwasicząstek Majorany, wykorzystując skomplikowane układy nadprzewodników, nanodrutów i pól magnetycznych. W 2018 r. jedna z grup badaczy doniosła w "Nature", że zaobserwowała ważne sygnatury kwazicząstek Majorany. Jednak zewnętrzni eksperci zakwestionowali pewne aspekty ich analizy danych. Potem praca ta została wycofana.
Czarne dziury w kwazicząsteczkowym zoo
Rosnące zoo kwazicząstek, z całą gamą niezwykłych postaci, oferuje fizykom zestaw narzędzi, dzięki którym mogą budować modele innych systemów, które są trudno dostępne lub niemożliwe do uzyskania, takich jak czarne dziury.
Czarne dziury powstają w kosmosie wszędzie tam, gdzie grawitacja staje się tak silna, że nawet światło nie może się z niej wydostać. Można stworzyć prosty analog czarnej dziury, wyciągając korek w wannie i obserwując, jak woda spływa do odpływu.
Fale wody, które zbliżają się zbytnio do odpływu, są nieuchronnie zasysane w wir. Można stworzyć jeszcze lepszy analog - z kwazicząstkami zwanymi polarytonami.
Polarytony są mieszaninami materii i światła. Naukowcy używają dwóch zwierciadeł, aby uwięzić foton wewnątrz klatki, która zawiera również ekscyton, sam w sobie będący rodzajem kwazicząstki składającej się z elektronu i dziury, które orbitują wokół siebie (2). Ekscyton różni się od kwazicząstki Majorany, która jest połową elektronu i połową dziury w tym samym miejscu i w tym samym czasie. Foton odbija się tam i z powrotem pomiędzy lustrami mniej więcej milion razy, zanim ucieknie, a gdy się odbija, foton łączy się z ekscytonem, tworząc polaryton. Wiele fotonów i ekscytonów jest zamykanych w klatkach i łączonych w ten sposób, a te polarytony zachowują się masowo jak płynne światło, które nie ma tarcia i nie rozprasza się. Naukowcy zaprojektowali przepływ tych polarytonów tak, aby naśladował on ruch światła wokół czarnej dziury.
Płynne światło nie jest stabilne i w końcu foton ucieka. To właśnie ta nieszczelna klatka pozwala uczonym badać, jak czarne dziury ewoluują w czasie. Nagrodzony Nagrodą Nobla fizyk teoretyczny Roger Penrose postawił hipotezę, że obracające się czarne dziury mogą tracić energię i stopniowo zwalniać. Są plany, by przetestować ten pomysł za pomocą polarytonów (3).
Wiecznie żywe?
Jeśli jakaś kwazicząstka może się rozpaść, to w końcu się rozpadnie. Na przykład magnon, kwazicząstka zbudowana z fragmentów pola magnetycznego poruszających się po materiale, może rozpadać się na dwa inne magnony tak długo, jak energia tych produktów nie jest większa od energii oryginalnego magnonu.
Badania zespołu Rubena Verresena, fizyka materii skondensowanej z Uniwersytetu Harvarda, postawiły dość ustabilizowany obraz kwazicząstek na głowie. W pracy opublikowanej w 2019 r. on i jego koledzy opisali, jak teoretycznie modelowali rozpadające się kwazicząstki, a następnie stopniowo zwiększali siłę oddziaływań między nimi, aby zobaczyć, co się stanie. Początkowo, zgodnie z oczekiwaniami, kwazicząstki rozpadały się szybciej. Ale potem, ku zaskoczeniu Verresena, kiedy siła oddziaływania stała się bardzo duża, kwazicząstki powracały. "Nagle znów mamy kwazicząstkę, która zdaje się nieskończenie długowieczna", komentował Verresen w komunikacie z badań.
Następnie zespół przeprowadził symulację komputerową badającą zachowanie ultrazimnego magnesu i zaobserwował pojawienie się magnonów, które nie uległy rozpadowi. Wykazał, że ich nowe odkrycia silnie oddziałujących kwazicząstek mogą wyjaśnić pewne zagadkowe cechy zaobserwowane w eksperymentach z magnonami w 2017 roku. To więcej niż zgrabna teoria, te wieczne magnony występują w otaczającej nas przyrodzie. Odkrycia sugerują zatem, że kwazicząstki mogą być o wiele bardziej wytrzymałe, niż kiedyś sądzili badacze. Granica między cząstką a kwazicząstką staje się niewyraźna. "Nie widzę fundamentalnej różnicy", zauważa Verresen.
Kwazicząstki powstają z układów wielu cząstek. Jednak to, co nazywamy cząstkami fundamentalnymi, takimi jak kwarki, fotony i elektrony, może nie być tak elementarne, jak nam się wydaje. Niektórzy fizycy podejrzewają, że te pozornie fundamentalne cząstki wyłaniają się podobnie jak kwazicząstki, choć nie wiadomo dokładnie, z czego. Zakłada się jednak, że jest to coś, bardziej podstawowego. Zdaniem Leona Balentsa, teoretyka badającego kwantowe stany materii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara, obiekty, które uważamy za cząstki fundamentalne, prawdopodobnie nie są takie znów fundamentalne - są to raczej kwazicząstki, tylko w jakiejś innej teorii fizyki.
Mirosław Usidus
