책상은 개별적이고 별개의 원자로 구성되어 있지만 멀리서 보면 표면이 매끄럽게 보입니다. 이 간단한 아이디어는 물리적 세계에 대한 모든 모델의 핵심입니다. 우리는 모든 원자와 전자 사이의 복잡한 상호 작용에 얽매이지 않고 전반적으로 무슨 일이 일어나고 있는지 설명할 수 있습니다.

따라서 미시적 특징이 모든 규모에서 완고하게 지속되는 새로운 이론적 물질 상태가 발견되었을 때 많은 물리학자들은 그 존재를 믿기를 거부했습니다.

"처음 프랙톤에 대해 들었을 때 이것이 사실일 리가 없다고 말했습니다. 왜냐하면 시스템이 어떻게 작동하는지에 대한 저의 편견을 완전히 무시하기 때문입니다."라고 말했습니다. 나단 세이버 그, 뉴저지 주 프린스턴에 있는 고급 연구 연구소의 이론 물리학자. “하지만 내가 틀렸어. 나는 내가 부정 속에 살고 있다는 것을 깨달았다.”

프랙톤의 이론적 가능성 2011년 놀란 물리학자. 최근에 이러한 이상한 물질 상태는 물리학자들을 기초 물리학에서 가장 어려운 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 이론적 틀로 이끌었습니다.

프랙톤은 준 입자입니다. 물질 내부의 많은 기본 입자 사이의 복잡한 상호 작용에서 나오는 입자와 같은 개체입니다. 그러나 프랙톤은 다른 이국적인 준 입자, 완전히 움직이지 않거나 제한된 방식으로만 움직일 수 있기 때문입니다. 프랙톤이 움직이는 것을 막는 환경은 없습니다. 오히려 그것은 그들의 고유한 속성입니다. 이는 프랙톤의 미세한 구조가 장거리에서의 거동에 영향을 미친다는 것을 의미합니다.

“완전히 충격적이다. 나에게 그것은 문제의 가장 이상한 단계”라고 말했다. 첸시에, 캘리포니아 공과 대학의 응축 물질 이론가.

부분 입자

2011년에 하정완, 당시 Caltech의 대학원생은 매우 안정적인 물질의 비정상적인 단계를 찾고 있었습니다. 양자 메모리를 보호하는 데 사용할 수 있습니다., 실온에서도. 그는 컴퓨터 알고리즘을 사용하여 Haah 코드라고 불리는 새로운 이론적 단계를 제시했습니다. 위상은 그것을 구성하는 이상하게 움직일 수 없는 준입자 때문에 다른 물리학자들의 주의를 빠르게 사로잡았습니다.

그것들은 개별적으로는 단지 입자의 단편처럼 조합해서만 움직일 수 있는 것처럼 보였습니다. 곧 유사한 특성을 가진 더 많은 이론적 단계가 발견되었고 2015년에는 Haah와 함께 사가르 비자이 과 량푸 - "프랙톤"이라는 용어를 만들었습니다. 이상한 부분 준 입자에 대해. (이전이지만 간과 된 Claudio Chamon의 종이 이제 프랙톤 거동의 최초 발견으로 인정됩니다.)

프랙톤 상이 무엇인지 확인하려면 물질을 통해 자유롭게 움직이는 전자와 같은 보다 일반적인 입자를 고려하십시오. 특정 물리학자들이 이 움직임을 이해하는 이상하지만 관습적인 방식은 공간이 일시적으로 존재하거나 존재하지 않는 전자-양전자 쌍으로 채워져 있기 때문에 전자가 움직인다는 것입니다. 그러한 쌍 중 하나가 나타나서 양전자(전자의 반대 전하를 띤 반입자)가 원래 전자 위에 있고 그들은 소멸합니다. 이것은 원래 전자에서 옮겨진 쌍의 전자를 남깁니다. 두 개의 전자를 구별할 수 있는 방법이 없기 때문에 우리가 인지하는 것은 하나의 전자가 움직이는 것뿐입니다.

이제 입자와 반입자 쌍이 진공에서 나올 수 없고 오직 정사각형만 나온다고 상상해 보십시오. 이 경우 하나의 반입자가 원래 입자 위에 놓이도록 정사각형이 생겨 해당 모서리를 소멸시킬 수 있습니다. 그런 다음 두 번째 사각형이 진공 상태에서 튀어나와 그 측면 중 하나가 첫 번째 사각형의 측면과 함께 소멸됩니다. 이것은 입자와 반입자로 구성된 두 번째 정사각형의 반대쪽을 남깁니다. 결과적인 움직임은 직선에서 옆으로 움직이는 입자-반입자 쌍의 움직임입니다. 프랙톤 위상의 예인 이 세계에서 단일 입자의 움직임은 제한되지만 쌍은 쉽게 이동할 수 있습니다.

Haah 코드는 현상을 극단적으로 나타냅니다. 입자는 프랙탈이라고 하는 끝없이 반복되는 패턴으로 새로운 입자가 소환될 때만 이동할 수 있습니다. 네 개의 입자가 정사각형에 배열되어 있지만 각 모서리를 확대하면 서로 가까이 있는 네 개의 입자로 구성된 또 다른 정사각형이 발견된다고 가정해 보겠습니다. 모퉁이를 다시 확대하면 다른 사각형을 찾는 식입니다. 이러한 구조가 진공에서 구체화되기 위해서는 너무 많은 에너지가 필요하여 이러한 유형의 프랙톤을 움직이는 것이 불가능합니다. 이를 통해 환경이 큐비트의 섬세한 상태를 방해할 수 없기 때문에 매우 안정적인 큐비트(양자 컴퓨팅의 비트)를 시스템에 저장할 수 있습니다.

프랙톤의 부동성은 그것들을 멀리서 매끄러운 연속체로 묘사하는 것을 매우 어렵게 만듭니다. 입자는 일반적으로 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 충분히 오래 기다리면 온도나 압력과 같은 벌크 속성으로 정의되는 평형 상태로 밀려납니다. 입자의 초기 위치는 더 이상 중요하지 않습니다. 그러나 프랙톤은 특정 지점에 붙어 있거나 특정 선이나 평면을 따라 조합해서만 이동할 수 있습니다. 이 움직임을 설명하려면 프랙톤의 고유한 위치를 추적해야 하므로 위상이 미세한 특성을 떨쳐버리거나 일반적인 연속체 설명에 종속될 수 없습니다.

그들의 확고한 미시적 행동은 "프랙톤의 예를 상상하고 무엇이 가능한지에 대해 깊이 생각하는 것을 도전으로 만듭니다"라고 산타 바바라에 있는 캘리포니아 대학의 이론가인 Vijay가 말했습니다. "지속적인 설명 없이 이러한 물질 상태를 어떻게 정의할 수 있습니까?"

"우리는 많은 것을 놓치고 있습니다."라고 Chen이 말했습니다. "우리는 그것들을 설명하는 방법과 의미를 모릅니다."

새로운 프랙톤 프레임워크

Fractons는 아직 실험실에서 만들어지지 않았지만 아마도 바뀔 것입니다. 움직일 수 없는 결함이 있는 특정 결정은 프랙톤과 수학적으로 유사한 것으로 나타났습니다.. 그리고 이론적인 프랙톤 지형은 매달 새로운 모델이 등장하면서 누구나 예상했던 것 이상으로 전개되었습니다.

"아마 가까운 장래에 누군가가 이러한 제안 중 하나를 취하고 '좋아, 차가운 원자로 영웅적인 실험을 하고 이러한 프랙톤 모델 중 하나를 정확히 실현하자'고 말할 것입니다."라고 말했습니다. 브라이언 스키너, 프랙톤 모델을 고안한 오하이오 주립 대학의 응집 물질 물리학자.

실험적 실현이 없었지만, 프랙톤의 단순한 이론적 가능성은 현재 거의 모든 물리적 현상이 기술되는 이론적 틀인 양자장 이론의 선두 전문가인 Seiberg에게 경종을 울렸습니다.

양자장 이론 이산 입자를 공간과 시간을 가로질러 뻗어 있는 연속 장에서 여기로 묘사합니다. 그것은 지금까지 발견된 가장 성공적인 물리 이론이며, 입자 물리학의 표준 모델 — 알려진 모든 기본 입자를 지배하는 놀랍도록 정확한 방정식.

“Fractons는 이 틀에 맞지 않습니다. 그래서 내 생각은 프레임워크가 불완전하다는 것입니다.”라고 Seiberg가 말했습니다.

양자장 이론이 불완전하다고 생각하는 다른 좋은 이유가 있습니다. 한 가지는 지금까지 중력을 설명하는 데 실패했기 때문입니다. 양자장 이론 틀에서 프랙톤을 설명하는 방법을 알아낼 수 있다면 Seiberg와 다른 이론가들은 실행 가능한 양자 중력 이론에 대한 새로운 단서를 예상합니다.

"Fractons의 이산성은 우리가 이미 가지고 있는 전체 구조를 망칠 수 있기 때문에 잠재적으로 위험합니다."라고 Seiberg가 말했습니다. "하지만 문제라고 말하거나 기회라고 말하거나."

그와 그의 동료들은 새로운 양자장 이론 개발 연속적인 시공간의 기반 위에서 어떤 불연속적인 행동을 허용함으로써 프랙톤의 기이함을 포괄하려는 시도.

"양자장 이론은 매우 섬세한 구조이기 때문에 가능한 한 규칙을 변경하지 않으려고 합니다."라고 그는 말했습니다. "우리는 반대편에 도달하기를 희망하면서 매우 얇은 얼음 위를 걷고 있습니다."