Topolog förutspår ny form av materia

Redan 1970 gjorde en ung fysiker som arbetade i Sovjetunionen en kontraintuitiv förutsägelse. Vitaly Efimov, nu vid University of Washington i USA, visade att kvantobjekt som inte kan formas till par ändå kan formas till trillingar.

2006 hittade en grupp i Österrike det första exemplet på ett sådant så kallat Efimov-tillstånd i en kall gas av cesiumatomer.

Det är förbryllande. Säkert är de bindningar som håller ihop trillingar desamma som de som binder par. Faktiskt nej! Det visar sig att det finns en subtil men viktig skillnad som gör dessa bindningar helt olika.

Idag gör Nils Baas vid Norges teknisk-naturvetenskapliga universitet ännu en häpnadsväckande förutsägelse. Han säger att de märkliga, ojordiska bindningarna som gör att cesiumatomer kan hålla ihop i trillingar borde tillåta mycket mer komplexa föremål att bildas också. Faktum är att han säger att vi är på väg att upptäcka en helt ny form av materia som styrs av en helt ny gren av fysiken.

Bakom detta märkliga resultat ligger en gren av matematiken som kallas topologi, studiet av form. Topologi handlar särskilt om formegenskaperna som bevaras när ett föremål kläms, sträcks och stöts, men inte rivs sönder.

Ett användbart exempel att överväga är den berömda borromeiska ringen som visas ovan till vänster. Den består av tre cirklar sammanflätade på ett sådant sätt att skärning av en släpper de andra två.

En nyckelpunkt här är att cirklarna i ett platt tvådimensionellt plan inte kan bilda en borromeisk ring. Men inför en tredje dimension och helt plötsligt kan cirklarna kopplas ihop på detta sätt. Naturligtvis skulle alla flatländare som bor i detta 2D-plan bli helt förvirrade av den här egenskapen.

Det visar sig att det finns en formell matematisk analogi mellan den borromeiska ringen och de märkliga trillingar av cesium som Efimov förutspådde. Kvantmekanikens och topologins matematik visar sig vara densamma.

Men här är grejen: bindningarna som uppstår från kvantmekanikens topologi är helt ovärldsliga. Även om vanlig materia, de saker du slår knogarna på, tydligt är begränsad till tre dimensioner, existerar kvantmekanikens matematik i helt olika dimensioner. Och det är i detta utrymme som de borromeiska ringarna bildas.

Resultatet är en sorts parallell fysik, där lagarna som styr beteendet i detta parallella universum utövar ett ofrånkomligt, spöklikt grepp om vårt eget universum.

Och det är inte bara bindningarna mellan atomer som åstadkommes. Fysiker börjar bygga ledare och isolatorer där elektronernas rörelse styrs av kvantmekanikens topologi. Så kallade topologiska isolatorer är ett stort ämne inom fasta tillståndets fysik just nu.

Och topologin är på väg att utöka sitt inflytande, om Baas får sin vilja igenom. Han påpekar att borromeiska ringar bara är det enklaste exemplet på ett helt periodiskt system av topologiska strukturer. Och om det är möjligt att göra Efimov-tillstånd som är likvärdiga med borromeiska ringar, så borde det vara möjligt att göra de andra också.

Denna familj av saker kommer att bli ett nytt materiatillstånd som styrs av nyhetsregler, ett slags Efimov-fysik.

Hur kan det här bete sig? Det är ännu inte klart men Baas tar upp en intressant möjlighet. Den djupa och världslösa kopplingen mellan partiklar i Efimov-staterna är anmärkningsvärt lik kvantintrassling.

Ingen är helt säker på om de är identiska, men om de är det, kommer Efimov-fysiken att ge ett nytt sätt att tänka på förveckling och hur man genererar och utnyttjar det. Det kommer att få viktiga konsekvenser för kryptografi, databehandling och informationsvetenskap i allmänhet.

Den nobelprisvinnande fysikern Murray Gell-Mann uttalade en gång att: Allt som inte är förbjudet är obligatoriskt. Han syftade på hur partiklar interagerar i kvantmekaniken. Med andra ord, om det inte finns någon anledning till varför partiklar inte kan interagera på ett visst sätt, måste de interagera på det sättet.

Det ser ut som om vi är på väg att se hur djupgående och långtgående detta uttalande verkligen var.

Ref: arxiv.org/abs/1012.2698 : Nya materia tillstånd föreslagna av nya topologiska strukturer

Dölj