Οι 500 καταστάσεις της ύλης

Artist's impression of a string-net of light and electrons. String-nets are a theoretical kind of topologically ordered matter

Ερευνητές του Πανεπιστημίου Περίμετερ της Τζόρτζια των Ηνωμένων Πολιτειών προτείνουν έναν νέο τρόπο κατηγοριοποίησης της κατάστασης της ύλης, που θα αντικαταστήσει τις τρεις γνωστές κατηγορίες (αέριο, υγρό, στερεό) με 500 διαφορετικές φάσεις.

Οι φυσικοί παραδοσιακά κατηγοριοποιούν την ύλη με βάση το πώς είναι ταξινομημένα τα άτομα, δηλαδή με γνώμονα τη συμμετρία. Επεκτείνοντας αυτή τη μεθοδολογία, ο καθηγητής Ξιάο - Γκανγκ Γουέν προτείνει μία σύγχρονη, επεκτεταμένη κατηγοριοποίηση, που θα καλύψει όλες τις ενδιάμεσες καταστάσεις με διαφορετικό βαθμό συμμετρίας.

Η κατηγοριοποίηση της ύλης σύμφωνα με τη συμμετρία της και το πού σπάνε τα όριά της, είναι γνωστή ως το παράδειγμα Λάνταου. Η θεωρία του Λάνταου, πέρα από το να ταξινομεί τις φάσεις της ύλης σε ένα συγκεντρωτικό γράφημα, αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο που καθοδηγεί τους επιστήμονες να ανακαλύψουν νέες καταστάσεις ύλης και να κατανοήσουν τις ιδιότητες και τη συμπεριφορά τους.

Η θεωρία του Λάνταου ήταν τόσο εύχρηστη και αποτελεσματική, ώστε η ανακάλυψη του γεγονότος ότι δεν μπορούσε να περιγράψει ένα μικρό αριθμό καταστάσεων αποτέλεσε μεγάλη έκπληξη για την επιστημονική κοινότητα των φυσικών.

Perimeter Faculty member Xiao Gang-Wen

Τη δεκαετία του 1980 αρκετοί ερευνητές, συμπεριλαμβανομένου του δρος. Γουέν, εξέτασαν νέα κβαντικά συστήματα όπου πολυάριθμες καταστάσεις εμφάνιζαν την ίδια συμμετρία. Ο δρ. Γουέν παρατήρησε ότι αυτές οι νέες καταστάσεις περιείχαν όμως μία τοπολογική τάξη. Η τοπολογική τάξη είναι ένα κβαντικό μηχανικό φαινόμενο, το οποίο δεν συνδέεται με τη συμμετρία αλλά με τις γενικές ιδιότητες της κυματοσυνάρτησης της χαμηλότερης ενεργειακής κατάστασης της ύλης. Κατά αυτόν τον τρόπο ξεπερνούσε το παράδειγμα Λάνταου, το οποίο βασίζεται σε κλασικές φυσικές έννοιες.

Στο νέο προτεινόμενο πλαίσιο, οι καταστάσεις της ύλης περιγράφονται όχι από τους βαθμούς συμμετρίας, αλλά από την κβαντική ιδιότητα της διεμπλοκής. Η κβαντική διεμπλοκή (ή συσχετισμός) είναι ένα φαινόμενο κατά το οποίο δύο σωματίδια είναι αλληλένδετα και οι μετρήσεις στο ένα επηρεάζουν το άλλο ανεξάρτητα της απόστασης μεταξύ τους. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι το παλιό σύστημα είναι το ανάλογο του να περιγράφεις μία πόλη από τα κτίρια και την τοπολογία της, ενώ το νέο σαν να περιγράφεις την ίδια πόλη με βάση την ροή πληροφοριών στο τηλεφωνικό της δίκτυο.

Αξίζει να σημειωθεί ότι μερικές καταστάσεις δεν περιγράφονται πλήρως ούτε από τη νέα θεωρία του δρ. Γουέν και των συνεργατών του. Συγκεκριμένα κάποιες καταστάσεις τοπολογικών υπεραγωγών και υπερμονωτών, οι οποίες εμφανίζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω των πιθανών εφαρμογών τους στην ερχομένη γενιά κβαντικών υπολογιστών.

Πηγή: Ναυτεμπορική
 https://perimeterinstitute.ca/news/entering-new-phase
 http://www.sciencedaily.com/releases/2012/12/121221233120.htm