Vi har opdaget legioner af mærkelige partikler, der ser ud til kun at have en spøgelsesrig eksistens inde i materialer. Alligevel er de grundlaget for meget moderne teknologi – så er de faktisk virkelige?
KOTO_FEJA/GETTY -billeder
Når vi tænker på partikler, har vi en tendens til at tænke på dem som virkelige genstande-små, punktlignende enheder med bestemte egenskaber som position eller hastighed. Men partikler er virkelig bare energiske pigge i de underliggende felter, der gennemsyrer universet, som i sig selv ikke kan observeres direkte. Alt sammen kan blive lidt forvirrende.
Denne historie er en del af vores koncepter specielle, hvor vi afslører, hvordan eksperter tænker på nogle af de mest sindssygende ideer inden for videnskab. Læs mere her
Og alligevel venter dybere forvirring, når du overvejer eksistensen af kvasipartikler, der kommer ud af de komplekse interaktioner mellem de “grundlæggende” partikler i faste stoffer, væsker og plasma. De kan prale af næsten magiske egenskaber, der lover eksotiske nye materialer og teknologier, mens de tvinger os til at konfrontere nogle af vores dybt holdte overbevisninger om partikler generelt.
”De mudrede meget farvande, når det kommer til spørgsmålet om, hvad der er en partikel,” siger Douglas Natelson ved Rice University i Houston, Texas. En kvasipartikel er “en slags excitation i et materiale, der har mange af de egenskaber, du tænker på som partikellignende”, siger han. De kan have en rimelig veldefineret position og hastighed. De kan have opladning. De kan bære energi. Hvorfor er de kun kvasipartikler og ikke rigtige partikler?
Det kommer ned på dem, der kun eksisterer inde i sagen. Natelson sammenligner det med tilskuere, der udfører “The Wave” i et stadion. ”Vi kan se på bølgen og sige ‘Åh, se! Der er en bølge, den handler om så stor, og den rejser med en bestemt hastighed.’ Men bølgen er faktisk denne kollektive ting, der består af opførelsen af alle fans i stadionet. ”
For at coax kvasipartikler til eksistens, tager fysikere et objekt, såsom et stykke metal, og udsætter det for ekstreme temperaturer eller tryk eller magnetiske felter. Derefter observerer de den kollektive opførsel af partiklerne inden for.
Et af de første af disse mærkelige fænomener blev opdaget i 1940’erne. Det var et “hul”: fraværet af et negativt ladet elektron, hvor man skulle eksistere. Disse huller hopper rundt i faste stoffer som positivt ladede partikler, og ved at behandle dem som uafhængige enheder var forskere i stand til at skabe de halvledere, der nu strøm bærbare computere og smartphones.
”Grundlæggende er al moderne elektronik baseret på elektroner og huller,” siger Leon Balents ved University of California, Santa Barbara. ”Vi bruger disse kvasipartikler hele tiden.”
I de mellemliggende årtier har vi opdaget en hel zoologisk have med eksotiske kvasipartikler. Der er Magnons, der kommer fra bølger i spin, den kvanteegenskab, der er grundlaget for magnetisme. Der er Cooper -par, der dukker op ved lave temperaturer og bærer elektrisk ladning uden modstand i superledere. Listen fortsætter. Og det fortsætter faktisk med at vokse, når fysikere forudsiger og observerer endnu mere uhyggelige arter med mærkelige klingende navne, herunder pi-tons, fraktoner og endda rinkloner.
En af de mest spændende, siger Balents, er ikke-abeliske nogen. I modsætning til andre partikler, vi kender til, kan disse kvasipartikler faktisk huske, hvordan de er blevet manipuleret – en ejendom, der gør dem til et fristende forslag til brug i kvantecomputere.
”Juryen er stadig ude af, om de faktisk vil være nyttige,” siger Balents. Ikke desto mindre investerer Microsoft og andre større virksomheder stærkt i kvasipartikelforskning.
Den anden grund til, at kvasipartikler er så fascinerende, fører os tilbage til spørgsmålet om, hvad en partikel er. Hvis kvasipartikler har partikellignende egenskaber, er vi nødt til at overveje, at de “grundlæggende” partikler, fra hvis interaktioner de opstår-dine elektroner, fotoner og kvarker-kan selv komme ud af noget dybere.
”Er de ting, som vi betragter som grundlæggende partikler virkelig grundlæggende, eller er de på en eller anden måde kvasipartikler af en eller anden underliggende grundlæggende teori?” siger Natelson. “Er det elefanter helt ned?”