I frattali, la materia più strana, possono produrre indizi quantistici
La tua scrivania è composta da singoli atomi diversi, ma da lontano la sua superficie sembra molto liscia. Questa semplice idea è il nucleo di tutti i nostri modelli del mondo fisico. Possiamo descrivere ciò che sta accadendo nel suo insieme senza essere coinvolti nelle complesse interazioni tra ciascun atomo ed elettrone.
Pertanto, quando viene scoperto un nuovo stato teorico della materia, le sue caratteristiche microscopiche esistono ostinatamente su tutte le scale e molti fisici si rifiutano di credere alla sua esistenza.
“Quando ho sentito parlare per la prima volta dei frattali, ho detto che non poteva essere vero perché violava completamente il mio pregiudizio contro il modo in cui si comporta il sistema”, ha detto Nathan Seberg, un fisico teorico presso l’Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey. “Ma mi sbagliavo. Mi sono reso conto che stavo vivendo nella negazione tutto il tempo”.
Possibilità teoriche dei frattali Fisici sorpresi nel 2011 Di recente, questi strani stati della materia hanno guidato i fisici verso nuovi quadri teorici che possono aiutarli a risolvere alcuni dei problemi più difficili della fisica fondamentale.
I frattali sono entità simili a quasi-particelle che emergono dalle complesse interazioni tra molte particelle elementari in un materiale. Ma i frattoni sono persino compatibili con altre strane quasiparticelle, perché sono completamente immobili o possono muoversi solo in modo limitato. Niente nel loro ambiente può impedire il movimento frattale; al contrario, è una loro proprietà intrinseca. Ciò significa che la microstruttura dei frattali influenza il loro comportamento a lunga distanza.
“Questo è totalmente scioccante. Per me, questa è la fase più strana della materia”, ha affermato Xie Chen, teorico della materia condensata al California Institute of Technology.
Parte delle particelle
Nel 2011, Zheng Wanxia, che era uno studente laureato presso il California Institute of Technology, alla ricerca di una fase materiale insolitamente stabile, usando algoritmi informatici, scoprì un nuovo stadio teorico, che in seguito fu chiamato codice Haah. A causa delle strane quasi-particelle immobili che la compongono, questa fase attirò rapidamente l’attenzione di altri fisici.
Sembrano una piccola parte della particella da sola e possono muoversi solo in combinazione. Presto furono scoperte più fasi teoriche con caratteristiche simili, quindi nel 2015 Haah e Sagar Vijay e Liang Fu hanno coniato il termine “frattoni” Per la parte strana di quasi-particelle. (In precedenza una tesi trascurata di Claudio Chamon È ora dovuta alla scoperta iniziale del comportamento frattale.)
Per comprendere le particolarità della fase frattale, si consideri una particella più tipica, come un elettrone, che si muove liberamente nel materiale. Il modo strano ma usato da alcuni fisici per capire questo tipo di movimento è che gli elettroni si muovono perché lo spazio è pieno di coppie elettrone-positrone, che appaiono e scompaiono improvvisamente in un istante.
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L’aspetto di una tale coppia fa sì che il positrone (l’antiparticella dell’elettrone di carica opposta) si sieda sopra l’elettrone originale e quindi si annichilisca. Questo lascia l’elettrone nella coppia di elettroni, che viene spostato dall’elettrone originale. Poiché due elettroni non possono essere distinti, possiamo vedere solo un elettrone in movimento.
Ora, al contrario, particelle e antiparticelle immaginarie non possono emergere dal vuoto, ma possono essere solo i loro quadrati. In questo caso, può apparire un quadrato, quindi un’antiparticella si trova sopra la particella originale, eliminando quell’angolo. Quindi il secondo quadrato esce dal vuoto, annientando un lato del primo quadrato. Questo lascia l’altro lato del secondo quadrato, anch’esso composto da una particella e un’antiparticella. Il movimento risultante è il movimento orizzontale della coppia particella-antiparticella lungo una linea retta. In questo mondo – un esempio di stadio frattale – il movimento di una singola particella è limitato, ma una coppia di particelle può muoversi facilmente.
Il codice Haah porta questo fenomeno all’estremo: le particelle possono muoversi solo quando vengono evocate nuove particelle in uno schema ripetitivo infinito chiamato frattali. Supponi di disporre quattro particelle in un quadrato, ma quando ingrandisci ogni angolo, troverai un altro quadrato composto da quattro particelle, che sono vicine l’una all’altra. Ingrandisci di nuovo l’angolo e troverai un altro quadrato, e così via.
Realizzare una tale struttura nel vuoto richiede così tanta energia che è impossibile spostare questo tipo di detriti. Ciò consente di memorizzare nel sistema qubit (bit di calcolo quantistico) molto stabili perché l’ambiente non può distruggere lo stato delicato dei qubit.
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