Una dintre constantele cheie ale naturii este mult mai mare într-un material cuantic

Un număr crucial care guvernează universul crește într-un material cuantic ciudat.

Constanta de structură fină este de aproximativ 10 ori valoarea sa normală într-un tip de material numit gheață cu spin cuantic, calculează fizicienii în 10 septembrie. Scrisori de revizuire fizică. Noul calcul sugerează că gheața cu spin cuantic ar putea oferi o privire asupra fizicii într-un univers alternativ în care constanta este mult mai mare.

Cu o influență care pătrunde în fizică și chimie, constanta de structură fină stabilește puterea interacțiunilor dintre particulele încărcate electric. Valoarea sa, aproximativ 1/137, îi consterna pe fizicieni pentru că nu pot explica de ce are această valoare, deși este necesar pentru chimia complexă care stă la baza vieții (SN: 11/2/16).

Dacă constanta de structură fină din cosmos ar fi la fel de mare ca cea din gheața cu spin cuantic, „tabelul periodic ar avea doar 10 elemente”, spune fizicianul teoretician Christopher Laumann de la Universitatea din Boston. „Și probabil ar fi greu să faci oameni; nu ar fi suficientă bogăție pentru chimie.”

Gheața de spin cuantic este o clasă de substanțe în care particulele nu pot fi de acord. Materialele sunt formate din particule cu spin, o versiune cuantică a momentului unghiular, care le face magnetice. Într-un material normal, particulele ar ajunge la un consens sub o anumită temperatură, polii magnetici fiind aliniați fie în aceeași direcție, fie în direcții alternative. Dar în gheața cu spin cuantic, particulele sunt aranjate în așa fel încât polii magnetici, sau echivalent spinii, să nu fie de acord nici măcar la o temperatură de zero absolut (SN: 2/13/11).

Impasul apare din cauza geometriei materialelor: particulele sunt situate la colțurile unei rețele de piramide care sunt conectate la colțuri. Conflictele dintre mai multe seturi de vecini înseamnă că cel mai aproape aceste particule pot ajunge la armonie este să se aranjeze astfel încât două rotiri să fie orientate în afară din fiecare piramidă și două cu fața înăuntru.

particulele situate la colțurile piramidelor în gheața cu spin cuantic
În gheața cu spin cuantic, particulele (punctele negre) sunt situate la colțurile unei rețele de piramide (roșu). În mod normal, învârtirile particulelor (săgeți verzi) sunt aranjate astfel încât două să îndrepte spre piramidă și două spre exterior. Dacă această regulă este încălcată, după cum este ilustrat, se formează cvasiparticule numite spinoni (portocaliu și albastru).SD Pace et al/PRL 2021

Acest armistițiu neliniștit poate da naștere la perturbări care se comportă ca niște particule din material sau cvasiparticule (SN: 10/3/14). Întoarceți rotațiile particulelor și puteți obține ceea ce se numesc spinoni, cvasiparticule care se pot mișca prin material și se pot interacționa cu alți spinoni într-un mod asemănător cu electronii și alte particule încărcate găsite în lumea din afara materialului. Materialul recreează teoria electrodinamicii cuantice, modelul standard al fizicii particulelor care explică modul în care particulele încărcate electric își fac treaba. Dar specificul, inclusiv constanta de structură fină, nu se potrivește neapărat cu cele din universul mai larg.

Așa că Laumann și colegii și-au propus pentru prima dată să calculeze constanta de structură fină în gheața cu spin cuantic. Echipa a fixat numărul la aproximativ 1/10, în loc de 1/137. În plus, cercetătorii au descoperit că ar putea schimba valoarea constantei de structură fină prin modificarea proprietăților materialului teoretic. Acest lucru ar putea ajuta oamenii de știință să studieze efectele modificării constantei de structură fină – un test care nu este la îndemână în propriul nostru univers, unde constanta de structură fină este fixă.

Din păcate, oamenii de știință nu au găsit încă un material care să se califice definitiv ca gheață cu spin cuantic. Dar o perspectivă mult studiată este un grup de minerale numite piroclor, care au ioni magnetici sau atomi încărcați electric, aranjați în configurația piramidală corespunzătoare. Oamenii de știință ar putea fi, de asemenea, capabili să studieze materialele folosind un computer cuantic sau un alt dispozitiv cuantic conceput pentru a simula gheața de spin cuantic (SN: 29/06/17).

Dacă oamenii de știință reușesc să creeze gheață cu spin cuantic, materialele ar putea dezvălui modul în care electrodinamica cuantică și modelul standard ar funcționa într-un univers cu o constantă de structură fină mult mai mare. „Aceasta ar fi speranța”, spune teoreticianul materiei condensate Shivaji Sondhi de la Universitatea din Oxford, care nu a fost implicat în cercetare. „Este interesant să poți face un model standard fals… și să întrebi ce s-ar întâmpla.”