Rincian Batu Bata Bangunan Alam Aneh

Sifat aneh cuprates superkonduktor tidak dijelaskan oleh metode mekanika kuantum yang diketahui, tetapi dapat dikaitkan dengan sifat lubang hitam dari dimensi yang lebih tinggi.

Sesuai dengan teori kuantum modern, alam semesta ditusuk oleh medan energi, dan gelombang energi di medan ini, disebut "partikel" jika terlihat lebih seperti sebuah titik, atau "gelombang" jika lebih dioleskan, berfungsi sebagai blok bangunan materi dan gaya kerja. Penemuan baru menunjukkan bahwa pandangan tentang gelombang / partikel hanya secara dangkal menggambarkan komponen alam semesta.

Jika kita membayangkan setiap medan energi mengisi ruang sebagai permukaan kolam, dan gelombang dan partikel sebagai gangguan permukaan ini, maka bukti baru menunjukkan adanya dunia hidup yang tersembunyi di bawah permukaan.

Selama beberapa dekade, deskripsi fenomena subatom pada "permukaan kolam" sudah cukup untuk perhitungan akurat dari sebagian besar fenomena fisik. Namun baru-baru ini, fisikawan menyeret ke kedalaman subatomik suatu kelas materi baru dan aneh yang menolak deskripsi menggunakan metode kuantum yang terkenal.

"Saya tumbuh di bidang fisika yang hidup di permukaan datar ini," kata Subir Sachdev , seorang profesor fisika di Universitas Harvard yang mempelajari bentuk-bentuk materi aneh ini. Dan sekarang, menurut dia, dimensi yang sama sekali baru telah muncul, dan "Anda dapat membayangkan bahwa partikel hanya berakhir di permukaan ini."

Dari semua jenis materi yang tidak biasa, cuprates - logam yang mengandung tembaga yang menunjukkan superkonduktivitas suhu tinggi - mungkin yang paling tidak biasa. Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan dalam Jurnal Fisika Energi Tinggi, fisikawan di University of California, Santa Barbara, mempelajari fenomena yang terkait dengan perilaku "permukaan" misterius cuprates. Berkonsentrasi dalam perhitungan mereka pada media yang terletak di bawah permukaan, para peneliti memperoleh rumus konduktivitas cuprate, yang sebelumnya hanya diketahui dari percobaan.

"Sungguh menakjubkan Anda bisa mulai dengan teori ini, dan tiba-tiba mendapatkan konduktivitas superkonduktor aneh ini," kata Sachev, yang tidak terkait dengan pekerjaan ini.

Hasil mendukung bukti bahwa cara baru menggambarkan batu bata bangunan alam adalah nyata dan "secara mengejutkan literal," kata Jan Zaanen, seorang ahli fisika teori di Universitas Leiden di Belanda.

Selain itu, hasilnya dapat ditafsirkan sebagai bukti tidak langsung dari teori string - sebuah platform berusia 40 tahun yang menjahit mekanika kuantum dengan gravitasi, yang, di satu sisi, secara matematis anggun dan memiliki kemampuan penjelajahan yang dalam, dan di sisi lain, belum terbukti.

Para ilmuwan juga berpendapat bahwa penemuan ini dapat memiliki konsekuensi yang luas dalam hal-hal yang berkaitan dengan materi gelap - substansi misterius yang membentuk 84% dari massa Semesta - serta dalam pencarian "teori segala sesuatu" yang menggambarkan semua alam secara matematis.

"Ada kemungkinan nyata bahwa dalam beberapa tahun ke depan akan ada kemajuan yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam fisika fundamental," kata Zaanen. "Semuanya berkembang sangat, sangat cepat."

Di bawah permukaan

Jika gelombang dan partikel adalah gangguan pada permukaan kolam, maka hubungan antara gangguan ini dan apa yang terjadi di kedalaman pertama kali dijelaskan oleh prinsip matematika, ditemukan pada tahun 1997. Dalam karya tengara, Juan Maldacena, yang saat itu bekerja di Universitas Harvard, dan sekarang di Institut Princeton untuk Studi Lanjut, menunjukkan bahwa peristiwa di wilayah tiga dimensi ruang secara matematis sesuai dengan peristiwa yang sama sekali berbeda yang terjadi di perbatasan dua dimensi di wilayah ini. (Acara dalam ruang 4 dimensi juga sesuai dengan acara dalam 3 dimensi, dll.)

Pertimbangkan kolam tiga dimensi kita dan permukaan dua dimensinya. Agar korespondensi ini berfungsi, bagian dalam kolam harus dijelaskan oleh teori string, di mana elektron, foton, graviton, dan semua batu bata alam semesta lainnya muncul dalam bentuk garis satu dimensi kecil, atau "string". Massa dan sifat makroskopik lainnya berhubungan dengan getaran string, dan interaksi antara berbagai jenis materi dan gaya bergantung pada bagaimana string terpecah dan bergabung. Senar ini hidup di dalam kolam.

Sekarang bayangkan bahwa permukaan dua dimensi kolam dijelaskan oleh mekanika kuantum. Partikel pecah di permukaan, dan gelombang adalah riak dari semburan. Tidak ada gravitasi di permukaan kolam imajiner.



Penemuan Maldacena, yang dikenal sebagai dualitas holografik, menunjukkan bahwa peristiwa dalam suatu wilayah, termasuk gravitasi dan dijelaskan oleh teori string, secara matematis ditransformasikan menjadi peristiwa di permukaan yang tidak mengalami gravitasi dan dijelaskan oleh teori partikel kuantum.

"Untuk memahami hubungan ini, Anda harus memperhitungkan hal utama - ketika teori gravitasi mudah dianalisis, maka partikel di perbatasan - atau, dalam kasus kami, di permukaan kolam - berinteraksi sangat kuat satu sama lain," kata Maldasena. Kebalikannya juga benar: ketika partikel di permukaan tenang, seperti yang terjadi pada sebagian besar jenis materi, situasi di kedalaman kolam sangat rumit.

Karena perbedaan ini, dualisme sangat berguna.

Kelas material yang aneh, termasuk cuprates, termasuk dalam kategori pertama; Percobaan menunjukkan bahwa dalam bahan-bahan ini partikel-partikel berinteraksi sangat kuat satu sama lain sehingga mereka kehilangan individualitas mereka. Fisikawan mengatakan bahwa partikel "berkorelasi kuat." Riak-riak yang bersesuaian dengan masing-masing partikel tumpang tindih dengan sangat kuat sehingga efek kawanan terjadi. Materi berkorelasi kuat dapat berperilaku atipikal dan tidak biasa, sehingga dalam beberapa kasus perilaku ini tidak dapat dijelaskan dengan metode mekanika kuantum yang diketahui, kata Sean Hartnoll, seorang profesor fisika di Universitas Stanford. "Anda perlu menggambarkan mereka dengan cara yang berbeda dari yang dimulai dengan deskripsi partikel individu," katanya. "Kamu tidak bisa mendeskripsikan samudera melalui molekul air individu."

Jika materi dengan korelasi kuat "hidup" pada permukaan dua dimensi kolam, maka dari dualisme holografik maka turbulensi ekstrem pada permukaan setara dengan kedalaman yang tenang. Fisikawan bisa mendapatkan deskripsi situasi di permukaan dengan mempelajari situasi paralel, tetapi jauh lebih sederhana. "Di dunia yang tenang ini, kamu bisa membuat perhitungan," kata Zaanen.

Dalam ekspresi matematis dualisme holografik, masalah tertentu dengan korelasi kuat dalam dua dimensi berhubungan dengan lubang hitam dalam tiga dimensi - benda padat yang tak terhingga dengan tarikan gravitasi, yang tidak dapat dihindari - dan secara matematis cukup sederhana. "Efek kolektif yang sangat kompleks ini dari mekanika kuantum secara mengejutkan jatuh ke bidang fisika lubang hitam," kata Hong Liu, seorang profesor fisika di Massachusetts Institute of Technology. "Dalam sistem dengan korelasi kuat, ketika Anda meletakkan elektron di sana, ia segera" menghilang "- ia tidak lagi dapat dilacak." Ini sebanding dengan bagaimana suatu benda jatuh ke dalam lubang hitam.

Model superkonduktivitas

Selama sepuluh tahun terakhir, studi tentang lubang hitam yang setara dengan bentuk materi dengan korelasi kuat telah menghasilkan hasil yang luar biasa - misalnya, persamaan baru untuk viskositas cairan dengan korelasi kuat dan pemahaman yang lebih baik tentang interaksi antara quark dan gluon, partikel yang hidup di dalam inti atom.


Jorge Santos dan Gary Horowitz

Gary Horowitz , seorang spesialis teori string di University of California di Santa Barbara dan Jorge Santos, Ph.D dari kelompok Horowitz, menerapkan prinsip dualisme holografik pada cuprates. Mereka menyimpulkan rumus konduktivitas dari sekitar dua dimensi logam, mempelajari sifat-sifat apa yang bisa berhubungan dengan mereka dalam 3D: lubang hitam bermuatan listrik dari bentuk yang tidak biasa.

Dalam cuprate, segerombolan elektron yang berkorelasi kuat bergerak di sepanjang kisi atom tetap. Pemodelan logam dengan dualisme holografis membutuhkan rekonstruksi setara kisi ini dalam struktur lubang hitam yang sesuai, atau lebih tepatnya, memberikan cakrawala bergelombang.

"Ketika datang ke lubang hitam, Anda membutuhkan Gary," kata Zaanen.

Untuk menentukan konduktivitas cuprates, Horowitz dan Santos harus mempelajari fitur interaksi cahaya dengan cakrawala kompleks lubang hitam mereka. Persamaan itu terlalu rumit untuk diselesaikan secara langsung, sehingga mereka menemukan solusi perkiraan menggunakan komputer. Dalam makalah pertama mereka tentang pendekatan ini, yang ditulis dengan fisikawan Universitas Cambridge David Tong dan diterbitkan dalam Journal of High Energy Physics pada Juli 2012, mereka memperoleh formula yang berhubungan dengan konduktivitas konduktif pada suhu tinggi untuk arus bolak-balik. Dalam sebuah karya baru, mereka memperluas perhitungan ke suhu di mana cuprates menjadi superkonduktor, yaitu melakukan arus tanpa hambatan, dan sekali lagi menunjukkan perkiraan yang baik untuk data eksperimen pada konduktivitas cuprate nyata.

"Ini mengejutkan saya bahwa model gravitasi yang sederhana dapat mereproduksi properti material nyata," kata Horowitz. “Itu mengilhami kami untuk terus bekerja.”

Keakuratan model dalam beberapa kasus penting gagal, misalnya, untuk arus bolak-balik frekuensi super, tetapi Sachdev mengatakan bahwa, mengingat betapa sederhananya model "lubang hitam keriput" ternyata, "lebih baik tidak bisa diharapkan". Dimasukkannya sejumlah besar detail mikroskopik cuprate dalam struktur black hole, menurutnya, akan memperdalam kongruensi mereka.

Hartnol, yang baru-baru ini menggunakan prinsip dualisme holografik untuk memodelkan transisi logam-isolator dalam bahan dengan korelasi yang kuat, berharap untuk menggunakan hasil Horowitz dan Santos dengan secara tepat menyelesaikan persamaan mereka. “Mereka memiliki input dan output; kami ingin membongkar dan memahami langkah-langkah perantara penting, ”katanya. Ini akan membantu untuk memahami mengapa rumus konduktivitas muncul dari model lubang hitam, dan akan memberikan pemahaman tentang kekuatan terkait yang bekerja di dalam cuprates.

Dualisme baru

Memahami fisika cuprates dapat memiliki implikasi praktis yang penting. Kebanyakan logam masuk ke kondisi superkonduktor ketika suhu turun ke keadaan mendekati nol absolut. Tetapi karena alasan yang tidak sepenuhnya jelas, cuprates menunjukkan superkonduktivitas pada suhu yang jauh lebih terjangkau, yang membuatnya berguna untuk digunakan dalam berbagai perangkat, dari kabel listrik daya tinggi hingga mesin kapal. Tetapi cuprates sangat rapuh dan mahal, sehingga menciptakan versi yang lebih baik dari bahan ini dapat menyebabkan terobosan signifikan dalam berbagai teknologi, dari kendaraan bantalan magnetis hingga jaringan listrik yang lebih efisien.

Mereka memiliki potensi untuk memajukan fisika fundamental. Jika dualisme holografik memberikan prediksi yang akurat tentang perilaku cuprate dan material lainnya dengan korelasi yang kuat, material ini dapat dianggap, pada kenyataannya, sebagai lubang hitam di dimensi yang lebih tinggi.

"Jika kita memiliki model yang mereproduksi semua sifat material, itu dapat dianggap sebagai teorinya - sangat tidak biasa, tetapi, berkat dualisme, itu akan setara dengan teori yang bekerja di perbatasan dengan partikel biasa," kata Horowitz. "Dan itu bisa menjadi pendekatan yang jauh lebih sederhana."


Representasi komputer dari cakrawala lubang hitam yang digunakan dalam penelitian untuk mensimulasikan cuprates

Dualisme holografik memiliki kesamaan dengan dualitas gelombang-partikel, yang mengarah pada pengembangan mekanika kuantum. Pada awal abad ke-20, cahaya, yang sebelumnya dianggap sebagai gelombang, dalam beberapa penelitian berperilaku misterius, kecuali jika Anda menganggapnya sebagai partikel; perilaku elektron yang dianggap sebagai partikel terkadang tidak masuk akal jika mereka tidak dianggap sebagai gelombang. "Dualitas gelombang-partikel, ketika pertama kali diusulkan, ternyata mengejutkan - karena mereka dua, pada pandangan pertama, konsep yang berbeda, dan kami belajar bahwa mereka mewakili hal yang sama," kata Horowitz. Dualisme holografik “lebih kompleks, tetapi propertinya sama,” katanya. "Anda memiliki dua, pada pandangan pertama, objek yang benar-benar berbeda yang ternyata setara."

Tetapi bagaimana dualisme holografik cocok dengan pemahaman kita tentang alam? Apakah analogi dengan string kolam satu dimensi itu nyata? Menurut fisikawan, belum tentu. Bahkan, string tidak termasuk dalam perhitungan sifat-sifat lubang hitam Horowitz dan Santos, yang mereka gunakan untuk memodel cuprate. Tetapi penemuan-penemuan ini benar-benar mengarah pada fakta bahwa "semua teori ini, yang bagi kami berbeda, ternyata saling terkait satu sama lain," kata Maldasena. "Ini menunjukkan bahwa teori string tidak terpisah dari fisika lainnya."

Menurut fisikawan, teori string mungkin hanya menjadi bahasa matematika terbaik untuk bekerja dengan aspek realitas tertentu.

“Fisika secara tradisional tunduk pada reduksionisme. Dia ingin mengambil sesuatu yang rumit dan memahami bagian mana itu terdiri, ”jelas Hartnol. “Tetapi tidak ada cara unik untuk pendekatan ini: dalam beberapa kasus, elektron dapat menjadi batu bata yang mendasar, dan dalam kasus lain, eksitasi bersama dari elektron lebih mendasar daripada yang dilakukan secara individual.

“Kami berusaha menemukan komponen fundamental yang tepat untuk menggambarkan fase-fase materi aneh ini,” katanya. "Bisa jadi string dalam dimensi yang lebih tinggi."

Fisikawan menafsirkan makna bahwa partikel dalam logam rapuh yang aneh secara matematis sesuai dengan string dan lubang hitam tidak biasa yang secara teoritis ada dalam dimensi yang lebih tinggi, dan dualisme holografik membantu mereka "berpikir secara berbeda tentang teka-teki di laboratorium," kata Zaanen. - Mungkin itu bukan hanya cara berpikir yang berbeda; intinya adalah untuk melihat fakta nyata dan indah. "