Détails des briques de construction Strange Nature

Les propriétés étranges des cuprates supraconducteurs ne sont pas décrites par les méthodes connues de la mécanique quantique, mais peuvent être associées aux propriétés des trous noirs de dimensions supérieures.

Conformément à la théorie quantique moderne, l'univers est percé de champs d'énergie, et l'onde d'énergie dans ces champs, appelée «particules» si elle ressemble plus à un point, ou «ondes» si elle est plus maculée, sert de blocs de construction de la matière et des forces agissantes. De nouvelles découvertes suggèrent que cette vision des ondes / particules ne décrit que superficiellement les composants de l'univers.

Si nous imaginons chaque champ d'énergie remplissant l'espace comme la surface d'un étang, et les vagues et les particules comme des perturbations de cette surface, alors de nouvelles preuves suggèrent l'existence d'un monde vivant caché sous la surface.

Pendant des décennies, la description des phénomènes subatomiques à la «surface de l'étang» a suffi pour des calculs précis de la plupart des phénomènes physiques. Mais récemment, les physiciens ont entraîné dans des profondeurs subatomiques une nouvelle classe étrange de matière qui résiste à la description en utilisant des méthodes quantiques bien connues.

"J'ai grandi sur la physique vivant sur cette surface plane", a déclaré Subir Sachdev , professeur de physique à l'Université de Harvard qui étudie ces formes étranges de matière. Et maintenant, selon lui, une toute nouvelle dimension est apparue, et "vous pouvez imaginer que les particules ne se terminent que sur cette surface".

De tous les types inhabituels de matière, les cuprates - métaux contenant du cuivre qui présentent une supraconductivité à haute température - peuvent être les plus inhabituels. Dans une nouvelle étude publiée dans le journal du journal de haute énergie Journal of High Energy Physics, des physiciens de l'Université de Californie à Santa Barbara ont étudié les phénomènes associés au mystérieux comportement de «surface» des cuprates. En se concentrant dans leurs calculs sur le milieu situé sous la surface, les chercheurs ont dérivé la formule de conductivité cuprate, connue auparavant uniquement à partir d'expériences.

«Il est étonnant que vous puissiez commencer avec cette théorie et obtenir soudainement la conductivité de ces étranges supraconducteurs», explique Sachev, sans rapport avec ce travail.

Les résultats confirment que la nouvelle façon de décrire les briques de construction de la nature est réelle et «étonnamment littérale», explique Jan Zaanen, physicien théoricien à l'Université de Leiden aux Pays-Bas.

De plus, les résultats peuvent être interprétés comme des preuves indirectes de la théorie des cordes - une plate-forme vieille de 40 ans qui coud la mécanique quantique avec gravité, qui, d'une part, est mathématiquement élégante et possède de profondes capacités explicatives, et d'autre part, elle n'a pas encore été prouvée.

Les scientifiques soutiennent également que ces découvertes peuvent avoir des conséquences d'une grande portée dans les matières liées à la matière noire - une substance mystérieuse qui représente 84% de la masse de l'Univers - ainsi que dans la recherche d'une «théorie de tout» qui décrit mathématiquement toute la nature.

«Il y a de fortes chances que dans les prochaines années, il y ait un progrès sans précédent en physique fondamentale», explique Zaanen. "Tout se développe très, très vite."

Sous la surface

Si les ondes et les particules sont des perturbations à la surface de l'étang, alors la relation entre cette perturbation et ce qui se passe en profondeur a d'abord été décrite par un principe mathématique, découvert en 1997. Dans un ouvrage historique, Juan Maldacena, qui travaillait alors à l'Université de Harvard, et maintenant au Princeton Institute for Advanced Studies, a montré que les événements dans une région tridimensionnelle de l'espace correspondent mathématiquement à des événements complètement différents se déroulant à la frontière bidimensionnelle de cette région. (Les événements dans l'espace à 4 dimensions correspondent également aux événements dans l'espace à 3 dimensions, etc.)

Considérez notre bassin en trois dimensions et sa surface en deux dimensions. Pour que cette correspondance fonctionne, l'intérieur de l'étang doit être décrit par la théorie des cordes, dans laquelle les électrons, les photons, les gravitons et toutes les autres briques de l'univers apparaissent sous la forme de minuscules lignes unidimensionnelles ou «cordes». La masse et d'autres propriétés macroscopiques correspondent aux vibrations des cordes, et les interactions entre différents types de matière et de forces dépendent de la façon dont les cordes se divisent et se combinent. Ces cordes vivent à l'intérieur de l'étang.

Imaginez maintenant que la surface bidimensionnelle d'un étang est décrite par la mécanique quantique. Les particules sont des éclats à la surface et les vagues sont des ondulations des éclats. Il n'y a pas de gravité à la surface d'un étang imaginaire.



La découverte de Maldacena, connue sous le nom de dualité holographique, a montré que les événements dans une région, y compris la gravité et décrits par la théorie des cordes, sont mathématiquement transformés en événements à la surface qui ne subissent pas la gravité et décrits par les théories des particules quantiques.

"Pour comprendre cette connexion, vous devez prendre en compte l'essentiel - lorsque la théorie de la gravité est facile à analyser, alors les particules à la frontière - ou, dans notre cas, à la surface de l'étang - interagissent très fortement les unes avec les autres", a déclaré Maldasena. L'inverse est également vrai: lorsque les particules à la surface sont calmes, comme cela se produit dans la plupart des types de matières, la situation dans les profondeurs de l'étang est extrêmement compliquée.

En raison de ce contraste, le dualisme est très utile.

Une étrange classe de matériaux, qui comprend les cuprates, appartient à la première catégorie; les expériences montrent que dans ces matériaux les particules interagissent si fortement les unes avec les autres qu'elles perdent leur individualité. Les physiciens disent que les particules «sont fortement corrélées». Les ondulations correspondant à chaque particule se chevauchent si fortement qu'un effet d'essaim se produit. La matière fortement corrélée peut se comporter de manière atypique et inhabituelle, de sorte que dans certains cas, ce comportement ne peut pas être décrit par des méthodes connues de la mécanique quantique, explique Sean Hartnoll, professeur de physique à l'Université de Stanford. «Vous devez les décrire d'une manière différente de celle qui commence par la description d'une particule individuelle», dit-il. "Vous ne pouvez pas décrire l'océan à travers des molécules d'eau individuelles."

Si la matière avec une forte corrélation "vit" à la surface bidimensionnelle de l'étang, alors du dualisme holographique, il s'ensuit qu'une extrême turbulence à la surface équivaut à un calme en profondeur. Les physiciens peuvent obtenir une description de la situation à la surface en étudiant en profondeur une situation parallèle, mais beaucoup plus simple. "Dans ce monde calme, vous pouvez faire des calculs", a déclaré Zaanen.

Dans l'expression mathématique du dualisme holographique, une certaine matière avec une forte corrélation en deux dimensions correspond à des trous noirs en trois dimensions - des objets infiniment denses avec une attraction gravitationnelle, ce qui ne peut être évité - et ils sont mathématiquement assez simples. "Ces effets collectifs extrêmement complexes de la mécanique quantique tombent étonnamment dans le domaine de la physique des trous noirs", a déclaré Hong Liu, professeur agrégé de physique au Massachusetts Institute of Technology. "Dans les systèmes à forte corrélation, lorsque vous y mettez un électron, il" disparaît "immédiatement - il ne peut plus être tracé." Ceci est comparable à la façon dont un objet tombe dans un trou noir.

Modèle de supraconductivité

Au cours des dix dernières années, l'étude des trous noirs équivalents à des formes de matière à forte corrélation a donné des résultats étonnants - par exemple, une nouvelle équation pour la viscosité des liquides à forte corrélation et une meilleure compréhension de l'interaction entre quarks et gluons, particules vivant à l'intérieur des noyaux atomiques.


Jorge Santos et Gary Horowitz

Gary Horowitz , spécialiste de la théorie des cordes à l'Université de Californie à Santa Barbara et Jorge Santos, Ph.D. du groupe Horowitz, ont appliqué le principe du dualisme holographique aux cuprates. Ils ont déduit la formule de conductivité des métaux approximativement bidimensionnels, étudiant les propriétés de ce qui pourrait leur correspondre en 3D: un trou noir électriquement chargé d'une forme inhabituelle.

Chez les cuprates, un essaim d'électrons fortement corrélés se déplace le long d'un réseau atomique fixe. La modélisation des métaux avec dualisme holographique a nécessité la reconstruction de l'équivalent de ce réseau dans la structure du trou noir correspondant, ou plutôt, en lui donnant un horizon ondulé.

«En ce qui concerne les trous noirs, vous avez besoin de Gary», explique Zaanen.

Pour déterminer la conductivité des cuprates, Horowitz et Santos ont dû étudier les caractéristiques de l'interaction de la lumière avec l'horizon complexe de leur trou noir. L'équation était trop compliquée à résoudre de front, ils ont donc trouvé des solutions approximatives à l'aide d'un ordinateur. Dans leur premier article sur cette approche, écrit avec le physicien de l'Université de Cambridge David Tong et publié dans le Journal of High Energy Physics en juillet 2012, ils ont dérivé une formule correspondant à la conductivité cuprate à haute température pour le courant alternatif. Dans un nouveau travail, ils ont étendu les calculs aux températures auxquelles les cuprates deviennent supraconducteurs, c'est-à-dire qu'ils conduisent le courant sans résistance, et ont de nouveau montré une bonne approximation des données expérimentales sur la conductivité des cuprates réels.

«Cela m'étonne qu'un modèle de gravité aussi simple puisse reproduire n'importe quelle propriété d'un matériau réel», a déclaré Horowitz. «Cela nous inspire pour continuer à travailler.»

La précision du modèle dans certains cas importants échoue, par exemple, pour les courants alternatifs de très hautes fréquences, mais Sachdev dit que, étant donné la simplicité du modèle du «trou noir froissé», «on ne pouvait pas s'attendre à mieux». L'inclusion d'un plus grand nombre de détails microscopiques des cuprates dans la structure d'un trou noir, à son avis, approfondira leur congruence.

Hartnol, qui a récemment utilisé le principe du dualisme holographique pour modéliser les transitions métal-isolant dans les matériaux à forte corrélation, espère utiliser les résultats d'Horowitz et Santos en résolvant précisément leurs équations. «Ils ont une entrée et une sortie; nous aimerions les déballer et comprendre les étapes intermédiaires importantes », a-t-il déclaré. Cela aidera à comprendre pourquoi la formule de conductivité apparaît à partir du modèle de trou noir, et donnera une compréhension des forces correspondantes travaillant à l'intérieur des cuprates.

Nouveau dualisme

Comprendre la physique des cuprates peut avoir des implications pratiques importantes. La plupart des métaux passent à l'état supraconducteur lorsque la température tombe à un état proche du zéro absolu. Mais pour des raisons qui ne sont pas entièrement claires, les cuprates présentent une supraconductivité à des températures beaucoup plus abordables, ce qui les rend utiles pour une utilisation dans une variété d'appareils, des câbles électriques haute puissance aux moteurs de navire. Mais les cuprates sont fragiles et chers, donc la création de versions améliorées de ce matériau peut conduire à une percée significative dans diverses technologies, des véhicules à coussin magnétique aux réseaux électriques plus efficaces.

Ils ont le potentiel de faire progresser la physique fondamentale. Si le dualisme holographique donne des prédictions précises du comportement des cuprates et d'autres matériaux avec une forte corrélation, ces matériaux peuvent être considérés, en fait, comme des trous noirs de dimensions supérieures.

"Si nous avions un modèle qui reproduit toutes les propriétés d'un matériau, il pourrait être considéré comme sa théorie - très inhabituel, mais, grâce au dualisme, ce serait l'équivalent de toute théorie travaillant sur la frontière avec des particules ordinaires", a déclaré Horowitz. "Et cela pourrait être une approche beaucoup plus simple."


Représentation informatique de l'horizon du trou noir utilisé dans l'étude pour simuler les cuprates

Le dualisme holographique a quelque chose en commun avec la dualité onde-particule, qui a conduit au développement de la mécanique quantique. Au début du XXe siècle, la lumière, auparavant considérée comme une onde, se comportait mystérieusement dans certaines études, à moins que vous ne la considériez comme des particules; le comportement des électrons considérés comme des particules n'a parfois aucun sens s'ils ne sont pas considérés comme des ondes. "La dualité onde-particule, lorsqu'elle a été proposée pour la première fois, s'est avérée être une surprise - car il s'agissait de deux concepts différents à première vue et nous avons appris qu'ils représentent la même chose", a déclaré Horowitz. Le dualisme holographique "est plus complexe, mais ses propriétés sont les mêmes", dit-il. "Vous avez deux, à première vue, des objets complètement différents qui se révèlent équivalents."

Mais comment le dualisme holographique s'intègre-t-il dans notre compréhension de la nature? L'analogie avec les cordes d'étang unidimensionnelles est-elle réelle? Selon les physiciens, pas nécessairement. En fait, les cordes ne sont pas incluses dans les calculs des propriétés du trou noir Horowitz et Santos, qu'ils ont utilisées pour modéliser les cuprates. Mais ces découvertes conduisent vraiment au fait que «toutes ces théories, qui nous semblaient différentes, se révèlent liées les unes aux autres», a expliqué Maldasena. "Cela montre que la théorie des cordes n'est pas dissociée du reste de la physique."

Selon les physiciens, la théorie des cordes peut simplement s'avérer être le meilleur langage mathématique pour travailler avec certains aspects de la réalité.

«La physique est traditionnellement soumise au réductionnisme. Elle veut prendre quelque chose de compliqué et comprendre de quelles parties il s'agit », explique Hartnol. "Mais il n'y a pas de moyen unique pour cette approche: dans certains cas, les électrons peuvent être les briques fondamentales, et dans d'autres, l'excitation conjointe des électrons est plus fondamentale que n'importe lequel d'entre eux individuellement."

«Nous essayons de trouver les bons composants fondamentaux pour décrire ces étranges phases de la matière», dit-il. "Il pourrait s'agir de cordes dans une dimension supérieure."

Les physiciens interprètent le sens que les particules dans des métaux fragiles étranges correspondent mathématiquement à des cordes et à des trous noirs inhabituels qui existent théoriquement dans une dimension supérieure, et le dualisme holographique les aide à «penser différemment les énigmes dans les laboratoires», explique Zaanen. - Ce n'est peut-être pas seulement une façon de penser différente; il s'agit de voir des faits réels et merveilleux. "