MATERIJA

Pripremio: Ž. Miljanić

Da li je pronađeno novo stanje?

Ono Šta svemir nije video

Godine 1998, pošto mu je dodeljena Nobelova nagrada za fiziku, Roberta Laflina sa Stanford Univerziteta u Kaliforniji upitali su: kako će njegovo otkriće “čestica” sa frakcionim nabojem, odnosno takozvanih kvazi-čestica, uticati na život običnih ljudi? “Verovatno nikako”, odgovorio je, “osim ako ih ne interesuje način kako svemir funkcioniše.” Pokazalo se da ljude to ipak interesuje

Robert Laflin sa Stenforda

Istraživač Ksiao-Gang Ven, sa Masačusets Instituta za tehnologiju (MIT), i Majkl Levin, sa Harvarda, koristili su Laflinove ideje i došli do predviđanja novog stanja materije, pa čak i do čudesne slike prirode samog svemir-vremena. Levin je njihov rad predstavio proletos na konferenciji „Topološko izračunavanje kvantuma“ (Topological Quantum Computing) koja je održana na Univerzitetu Kalifornije u Los Anđelesu.

Prvi nagoveštaji o tome da možda postoji novo stanje materije pojavili su se 1983. “Pre 25 godina mislili smo da znamo sve o tome kako materija menja svoja stanja i faze”, kaže Ven. “A onda se pojavio eksperiment koji je otvorio jedan novi svet.”

U pomenutom eksperimentu, elektroni koji se kreću u međuprostoru između dva poluprovodnika i ponašaju se kao da su sačinjeni od čestica koje poseduju samo jedan deo naboja elektrona. Ovaj takozvani efekat frakcionog kvantuma (FQHE) sugerisao je da, možda, elektroni nisu elementarne čestice. Međutim, uskoro je postalo jasno da elektroni, pod određenim uslovima, mogu da se objedinjuju na način koji stvara iluziju da imaju samo frakcioni naboj - to otkriće donelo je Nobelovu nagradu Laflinu, Horst Stormeru i Danielu Tsui.

Kao rezanci u supi

Ven je posumnjao da bi ovaj efekat mogao da predstavlja novo stanje materije. Karakteristika različitih faza materije je u načinu kako su njeni atomi organizovani. U tečnoj fazi, na primer, atomi su raspoređeni nasumice, dok su u čvrstoj fazi atomi rigidno poređani u strukturu. Sistemi FQHE su drugačiji. “Ukoliko biste slikovito hteli da prikažete položaj elektrona u sistemu FQHE, oni se pojavljuju kao nasumice organizovani i vi stoga mislite da se radi o tečnoj fazi,” kaže Ven. „Ali ako pogledate još jednom, videćete da, za razliku od tečnosti, elektroni poigravaju jedan oko drugog po jasno definisanim koracima“.

Istraživač Ksiao-Gang Ven, sa Masačusets Instituta

To je nešto kao da su elektroni zapleteni. Današnji fizičari koriste taj termin da opišu osobinu u kvantnoj mehanici u kojoj molekuli mogu da se povezuju uprkos velikoj razdaljini između njih. Ven je spekulisao da sistemi FQHE predstavljaju stanje materije u kome je zapletenost urođena osobina, pri čemu su čestice na složene načine povezane jedna sa drugom unutar celog materijala. Ovo je navelo Vena i Levina na ideju da o materiji možda možemo da razmišljamo i drugačije. Šta ako elektroni nisu elementarne čestice, već se formiraju na kraju dugih “lanaca” drugih, fundamentalnih čestica? Oni su onda formulisani model u kome se takvi lanci slobodno kreću “kao rezanci u supi” i međusobno se isprepliću u ogromne “mreže stringova”.

Zatim su obavili određene simulacije da bi proverili da li ovakve „mreže stringova” mogu da dovedu do pojave konvencionalnih čestica i frakciono nabijenih kvazi čestica. Pokazalo se da mogu. Pronašli su i nešto drugo, još više iznenađujuće. Pošto ta mreža vibrira, ona proizvodi jedan talas koji se ponaša po vrlo dobro poznatom setu zakona - Maksvelove jednačine, koje objašnjavaju ponašanje svetlosti. “150 godina nakon vremena kada ih je Maksvel zapisao, ovde su se pojavile slučajno”, kaže Ven.

I to nije bilo sve. Utvrdili su da njihov model prirodno vodi i do drugih elementarnih čestica, kakvi su kvarkovi, koji grade protone i neutrone, kao i čestice koje su odgovorne za neke od fundamentalnih sila, na primer gluoni i W i Z bozoni. Posle ovoga istraživači su napravili još jedan skok. Da li je moguće da je i čitav svemir modelovan na sličan način? “Iznenada smo shvatili da je, možda, vakuum celog našeg svemira u stvari tečnost sa strukturom mreže stringova”, kaže Ven. “To bi predstavljalo objedinjeno objašnjenje pojave i tečnog i čvrstog stanja materije.” Dakle, po njihovoj teoriji, elementarne čestice ne predstavljaju fundamentalnu građu materije. Umesto toga, materija se pojavljuje iz jedne dublje strukture ne-praznog vakuuma prostora/vremena.

Kandidat iz planina Čilea

“Teorija Vena i Levina je zaista predivna”, kaže Majkl Fridman, dobitnik najprestižnijeg priznanja za matematiku, Filds medalje za 1986. godinu, koji radi kao specijalista za izračunavanje kvantuma u Majkrosoftovoj stanici Q pri Univerzitetu Kalifornije u Santa Barbari. “Divim se njihovom pristupu, koji pokazuje sumnju u sve - elektrone, fotone, Maksvelove jednačine... a koje svi drugi prihvataju kao fundamentalne.”

Postoji, naravno, veliki broj teorija koje pokušavaju da objasne ovaj fenomen; Ven i Levin su shvatili da je na njima obaveza da obezbede dokaze. Možda to i nije posebno daleko? Njihov model predviđa specifične aranžmane atoma u novom stanju materije, koje su oni označili kao “mreža stringova”, a moguće je da ju je grupa Džoela Heltona sa MIT-a pronašla.

Majkl Levin, sa Harvarda

Helton je bio upoznat sa Venovim radom i odlučio je da traži takve materijale. Pregledajući geološke časopise, njegov tim je došao do jednog kandidata – tamno-zelenog kristala na koji su geolozi naišli u planinama Čilea 1972. godine. “Geolozi su ga nazvali po imenu jednog mineraloga kome su se divili, Herberta Smita, obeležili ga i ostavili ustranu”, kaže jedan od članova tima, Jang Li. “Nisu prepoznali potencijal koji će ovaj mineral, nazvan herbetsmitit imati za kasnije fizičare.”

Herbertsmitit je neobičan po tome što njegovi elektroni formiraju jedan oblik u trouglastoj mreži. Uobičajeno je da se elektroni formiraju u vrstu tako da su im spinovi u suprotnim pravcima u odnosu na neposrednog suseda, ali je u trouglu to nemoguće - u trouglu će se uvek pojaviti i neki susedni elektroni koji su orijentisani u istom pravcu. Venov i Levinov model pokazuje da bi takav sistem mogao da bude tečnost „mreže stringova“.

Magnetni poredak

Iako mineral herbertsmitit postoji u prirodi, on sadrži nečistoće koje prekidaju bilo kakav potpis „mreže stringova“, kaže Li. Zato je Heltonov tim u laboratoriji izradio čist uzorak. “To je bilo teško”, kaže Li. “Trebalo nam je godinu dana da uradimo uzorak i sledeća da ga analiziramo.” Tim je izmerio stepen magnetizacije materijala u odnosu na primenjeno magnetno polje. Ukoliko se herbertsmitit ponaša kao svaka druga uobičajena materija, tvrde oni, onda bi to trebalo da znači da će, ispod 26 °C, spinovi njegovih elektrona prestati da fluktuiraju, što je stanje poznato kao magnetni poredak. Ali tim nije utvrdio da do toga i dolazi, čak ni na temperaturi koja jedva da prelazi apsolutnu nulu.

Merili su i druge karakteristike, recimo provodljivost toplote. Kod konvencionalnih čvrstih stanja, odnos između njihove temperature i sposobnosti provođenja toplote se ispod određene temperature menja jer se menja struktura materijala. Tim je utvrdio da kod izučavanog minerala herbertsmitita nema znakova takve promene, što sugeriše da, za razliku od druge materije, najniže energetsko stanje ovog minerala nema prepoznatljiv poredak.

Ovaj tim planira dalje testove kojima će vizualizirati položaj pojedinačnih elektrona, tražeći daleka preplitanja ispucavanjem neutrona u kristal i posmatranjem kako se on raspada. “Želimo da vidimo dinamiku spina”, kaže Li. “Ako utičemo na jedan elektron, moći ćemo da vidimo kako to utiče na ostale.”

Čak i ako mineral herbertsmitit nije novo stanje materije, ne bi trebalo da iznenadi da takvo novo stanje bude uskoro otkriveno, jer je mnogo timova koji za njim tragaju, kaže Fridman. On dodaje da ljudi pogrešno pretpostavljaju da je akcelerator čestica jedina oblast u kojoj je moguće doći do velikih otkrića o materiji. “Akceleratori prosto rekreiraju uslove posle Velikog praska i ponavljaju eksperimente koji su stari šešir svemira”, kaže on. “A u laboratorijama ljudi kreiraju uslove koji su hladniji nego bilo gde ikada u svemiru. Sigurno ćemo naleteti na nešto što svemir do sada nikada nije video.”

Ž. Miljanić