Hitte Vernietigt Alle Orde. Behalve in Dit Ene Speciale Geval.

Like
vond

Datum:

Knooppunt: 4221765

Zonlicht smelt sneeuwvlokken. Vuur verandert houtblokken in roet en rook. Een hete oven zorgt ervoor dat een magneet zijn aantrekkingskracht verliest. Fysici weten uit talloze voorbeelden dat als je de temperatuur hoog genoeg opvoert, structuren en patronen kapotgaan.

Nu hebben ze echter een opvallende uitzondering bedacht. In een reeks resultaten van de afgelopen jaren hebben onderzoekers aangetoond dat een geïdealiseerde substantie die lijkt op twee vermengde magneten — in theorie — een ordelijk patroon kan behouden, hoe heet het ook wordt. De ontdekking zou de kosmologie kunnen beïnvloeden of de zoektocht om kwantumfenomenen op kamertemperatuur te brengen.

Verschillende natuurkundigen toonden zich verrast en verheugd dat een dergelijk effect mogelijk is, al is het alleen maar in theorie.

"Het slaat je gewoon in het gezicht, omdat het niet is wat je verwacht", zei Fabian Rennecke, een onderzoeker aan het Instituut voor Theoretische Fysica in Giessen, Duitsland, die niet bij het werk betrokken was.

“Ik ben erg geïntrigeerd en denk na over hoe we een concrete invulling van dit raamwerk kunnen vinden”, zei Jörg Schmalian, een natuurkundige aan het Karlsruhe Institute of Technology in Duitsland.

De hitte verhogen

De ontdekking werd gedaan naar aanleiding van een vraag uit het publiek tijdens een lezing aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem in 2019. Zohar Komargodski, een natuurkundige die op bezoek was van Stony Brook University, had opgemerkt dat elke vorm van orde — zoals de regelmatige afstand tussen atomen in een vaste stof of de uitlijning van atomen in een magneet — onvermijdelijk afbreekt bij voldoende hoge temperaturen. Een lid van het publiek, Eliëzer Rabinovici van de Hebreeuwse Universiteit, vroeg Komargodski of hij er zeker van was dat dit waar was. Na het gesprek begonnen de twee samen te werken, samen met andere collega's.

Ze waren niet de eerste natuurkundigen die zich dit afvroegen. In de jaren 1950 had Isaak Pomeranchuk berekend dat het licht verwarmen van onderkoelde vloeibare helium-3-atomen ze zou laten bevriezen. Een kristal dat bekendstaat als Rochelle-zout, dat als laxeermiddel wordt gebruikt, verandert bij warmere temperaturen in een meer geordende structuur. Curiosa als deze motiveerden de natuurkundige en toekomstige Nobelprijswinnaar Steven Weinberg om een geïdealiseerde kwantumtheorie van hittebestendige orde in de jaren 1970. Maar in zowel vloeibaar helium als Rochelle-zout vernietigt verdere verhitting de orde. En Weinbergs theorie faalde ook boven een bepaalde temperatuur.

Was het mogelijk dat een bepaald patroon voor altijd zou blijven bestaan, hoe heet het ook werd? Komargodski, Rabinovici en medewerkers wilden dat uitzoeken.

Hittebestendige bestelling

De natuurkundigen richtten zich op magnetisme.

Stel je een stel atomen voor die in een vierkant raster zijn gerangschikt. Elk atoom gedraagt ​​zich als een minimagneet met een noordpool die punten omhoog of omlaag.

Mark Belan/Quanta Magazine

Als de atomen zich in een bepaald patroon opstellen, bijvoorbeeld allemaal dezelfde kant op wijzend, heeft het materiaal een magnetische orde.

Stel je voor dat je dit raster direct op een tweede atoomraster legt. Deze nieuwe atomen kunnen vrij bewegen en in elke richting wijzen, in plaats van alleen omhoog of omlaag. Nabijgelegen atomen zullen interacteren, waarbij rimpelingen in het ene raster rimpelingen in het andere veroorzaken.

Zoom nu uit totdat de rasterlijnen verdwijnen en het systeem een ​​glad vel wordt — een kwantumveld. De atomen zijn verdwenen, maar het veld heeft nog steeds twee magnetische pijlen op elk punt: één die recht omhoog of omlaag wijst en een andere die in elke richting wijst.

De onderzoekers realiseerden zich dat dit soort geïdealiseerde velden de magnetische orde bij elke temperatuur in stand konden houden.

Onder koele omstandigheden duwen de pijlen omhoog en omlaag elkaar in de juiste richting — helemaal omhoog, zeg maar — terwijl de pijlen die vrij ronddraaien in willekeurige richtingen wijzen. Naarmate de temperatuur stijgt, zou je verwachten dat de thermische energie alle pijlen heftig zou omdraaien, waardoor alle uitlijning zou verdwijnen. Maar dat gebeurt niet. De vrije pijlen draaien meer rond, waardoor de magnetische orde in de pijlen omhoog en omlaag wordt gestabiliseerd. En deze opstelling blijft bestaan, zelfs als de temperatuur voor eeuwig stijgt. De magnetische orde smelt nooit weg.

Een kanttekening is dat de truc het beste lijkt te werken als de vrijdraaiende pijlen veel vrijheid hebben. Komargodski stelt zich pijlen voor die vrij zijn om in elke richting te wijzen in een abstracte ruimte van honderden dimensies. Dit hoeven echter niet letterlijk richtingen in de echte ruimte te zijn. Ze vertegenwoordigen alle manieren waarop het veld wiskundig kan variëren van punt tot punt.

In 2020, Komargodski en medewerkers berekend dat magnetisme in dit systeem tot oneindige temperaturen zal blijven bestaan, maar hun wiskunde was gebaseerd op de aanname dat de waarschijnlijkheid niet per se precies 100% hoeft te zijn — een fysieke en logische onmogelijkheid.

Ze gaven de zoektocht naar een steviger bewijs op tot deze herfst, toen een team van Europese natuurkundigen — Michael Scherer, Junchen Rong en Bilal Hawashin — de zaak naar voren schoof. Ze herstelden de waarschijnlijkheid naar 100% (ten koste van het negeren van bepaalde milde magnetische interacties) en ontdekten dat orde bleef bestaan voor pijlen die door slechts 15 abstracte dimensies spinnen. Hun werk inspireerde Komargodski en een nieuwe medewerker, Fedor Popov, om terug te keren naar het probleem en uiteindelijk een strikt bewijs van de onsmeltbare orde die alle voorgaande tekortkomingen overwint. Ze hebben in december een preprint van een paper gepubliceerd waarin het werk wordt beschreven en zullen deze binnenkort ter publicatie indienen.

“We kunnen gerust zeggen dat dit iets is dat de kwantumveldentheorie realiseert,” zei Scherer, die denkt dat het nieuwe bewijs stand zal houden. “De vraag is: wat doen we hier nu mee?”

Nieuwe inspiratie

Wetende dat orde theoretisch elke hoeveelheid hitte kan overleven, zou theorieën over de geboorte van het universum kunnen beïnvloeden. Het typische verhaal is dat orde zich ontwikkelde toen de inferno van het jonge universum afkoelde, maar het recente werk benadrukt vreemdere mogelijkheden.

“Nu heb je in je gereedschapskist nieuwe theorieën die je kunt gebruiken,” zei Francesco Sannino, een natuurkundige aan de Universiteit van Zuid-Denemarken die onafhankelijk bewijs gevonden van hittebestendige orde in fundamentele kwantumtheorieën.

Deze nieuwe manier om kwantumpatronen hittebestendig te maken, kan ook natuurkundigen inspireren die delicate fenomenen bestuderen zoals supergeleiding, een fase waarin elektrische stroom zonder weerstand stroomt. Normaal gesproken verstoort hitte de kwantumordening die supergeleiding mogelijk maakt, waardoor de toepassingen ervan worden beperkt. Maar misschien kunnen in een materiaal dat belangrijke kenmerken van de magnetische theorie leent, perfecte stromen worden gemaakt om stijgende temperaturen te doorstaan.

"Ik ben er vrij zeker van dat hetzelfde verhaal ook geldt voor een supergeleider", aldus Schmalian.

Gerelateerde artikelen

spot_img

Recente artikelen

spot_img