Le Problème « le plus étrange », fait de Particules Partielles, défie la description
Les philosophes sont dans une frénésie à propos des « fractons », des particules hypothétiques inhabituelles, mais peut-être utiles, qui ne peuvent que se déplacer et se mélanger les unes aux autres.
Votre bureau est composé d’atomes spécifiques et distincts, mais sa surface apparaît lisse de loin. Ce concept simple est au cœur de toutes nos versions du monde physique. Nous pouvons expliquer ce qui se passe généralement sans être bloqué dans les interactions complexes entre les atomes et les électrons.
Ainsi, lorsqu’un tout nouvel état théorique du problème a été découvert, dont les minuscules caractéristiques persistent obstinément dans toutes les gammes, de nombreux physiciens ont refusé de se fier à sa présence.
“Quand j’ai pris connaissance des fractons pour la première fois, j’ai affirmé qu’il n’y avait aucun moyen que cela puisse être réel, car cela défie mon parti pris quant à la façon dont les systèmes agissent exactement”, a déclaré Nathan Seiberg, physicien théoricien à l’Institute for Advanced Study de Princeton, New Jacket. « Cependant, j’avais tort. J’ai réalisé que j’étais resté dans le déni.
L’opportunité théorique des fractons a surpris les physiciens en 2011. Récemment, ces états étranges du problème ont conduit les physiciens vers de tout nouveaux cadres académiques qui peuvent les aider à faire face à quelques-uns des problèmes les plus graves de la physique essentielle.
Les fractions sont des quasi-particules, des entités semblables à des particules résultant de communications complexes entre de nombreuses particules élémentaires à l’intérieur d’un matériau. Mais les fractons sont inhabituels et contrastent avec d’autres quasiparticules uniques, car ils sont immobiles ou peuvent être déplacés de manière minimale. Il n’y a absolument rien dans leur atmosphère qui empêche les fractons de se déplacer ; au lieu de cela, c’est une propriété intégrale de la leur. Cela signifie que la structure microscopique des fractons affecte leurs actions à distance.
« C’est tout à fait choquant. Pour moi, c’est la phase la plus étrange de la matière », a déclaré Xie Chen, théoricien des problèmes compressés au California Institute of Modern Technology.
Particules partielles
En 2011, Jeongwan Haah, après avoir été étudiant à Caltech, recherchait des niveaux de problème inhabituels qui étaient si sûrs qu’ils pouvaient être utilisés pour sécuriser la mémoire quantique, même au niveau de la température ambiante. À l’aide d’un algorithme de système informatique, il a présenté une toute nouvelle phase théorique qui est devenue le code Haah. La phase a rapidement attiré l’attention d’autres physiciens en raison des quasi-particules étrangement immobiles qui la composent.
Ils semblaient, séparément, comme de simples fractions de bits, juste capables de déplacer le mix. Bientôt, des étapes plus académiques ont été découvertes avec des caractéristiques similaires, et ainsi en 2015, Haah et Sagar Vijay et Liang Fu ont inventé le terme « fractons » pour les quasi-particules partielles impaires. (Un article précédent, cependant, négligé par Claudio Chamon est maintenant crédité de la découverte originale des actions des fractons.).
Pour voir ce qui est si remarquable concernant les phases de fractons, considérons une particule extra régulière, comme un électron, se déplaçant librement à travers un matériau. L’étrange, cependant, signifie que les physiciens comprennent que ce mouvement est que les actions des électrons puisque l’espace est chargé d’ensembles électron-positon pendant un certain temps, tout en entrant et en sortant de l’existence. Une telle paire apparaît de sorte que la position (l’antiparticule de charge opposée de l’électron) se trouve au-dessus de l’électron initial, s’effaçant. Cela laisse l’électron déplacé de l’électron initial. Comme il n’y a pas d’autre moyen de comparer les deux électrons, nous percevons qu’un seul électron se déplace.
Au lieu de cela, imaginez que des paires de particules et d’antiparticules ne peuvent pas se développer à partir de l’aspirateur, mais simplement en carrés. Dans cette situation, un carré peut être créé pour s’assurer qu’une antiparticule pousse le haut de la particule d’origine, annihilant ce bord. Un 2ᵉ carré renfle alors l’aspirateur pour faire en sorte qu’un de ses côtés s’annihile à l’écart du premier carré. Cela laisse derrière le côté opposé du deuxième carré, comprenant en plus une particule et une antiparticule. L’activité résultante est celle d’un ensemble particule-antiparticule se déplaçant latéralement en ligne droite. Dans ce monde, une instance d’une phase de fraction, le mouvement d’une particule solitaire est restreint, mais un ensemble peut se déplacer facilement.
Le code Haah pousse le phénomène à l’extrême : les particules peuvent simplement se déplacer lorsque de nouveaux bits sont invoqués dans des motifs répétés sans fin appelées fractales. Prétendez que vous avez 4 bits disposés dans un carré, mais lorsque vous effectuez un zoom avant dans chaque coin, vous localisez un carré supplémentaire de quatre bits qui se rapproche. Concentrez-vous à nouveau sur une arête, et vous repérez un carré supplémentaire, et ainsi de suite, pour qu’une telle structure émerge dans le vide demande tellement d’énergie qu’il est impossible de déplacer ce type de fracton. Cela permet de stocker des qubits stables, le petit calcul quantique, dans le système, car l’environnement ne peut pas interférer avec l’état délicat des qubits.
L’immobilité des fractons rend extrêmement difficile de les expliquer comme un continuum lisse de loin. Étant donné que les bits peuvent généralement se déplacer ouvertement, ils se retrouveront dans un état de stabilité, spécifié par des bâtiments en vrac tels que la température ou la pression, si vous attendez assez longtemps. Les zones initiales des particules cessent d’avoir de l’importance. Cependant, les fractons sont bloqués à des points spécifiques ou peuvent simplement déplacer des combinaisons le long de lignes ou d’avions particuliers. Définir ce mouvement nécessite de se concentrer sur les emplacements distincts des fractons ; par conséquent, les phases ne peuvent pas se débarrasser de leurs minuscules personnalités ou se soumettre au résumé typique du continuum.
Leurs habitudes microscopiques résolues rendent « difficile de penser à des exemples de fractons et de réfléchir profondément à ce qui est possible », a déclaré Vijay, philosophe au College of The Golden State, Santa Barbara. « Sans une description continuelle, comment définissons-nous ces états de la matière ? ».
« Il nous manque beaucoup de choses », a déclaré Chen. “Nous n’avons aucune idée de comment les décrire exactement et ce qu’ils signifient.”.
Une nouvelle structure de fractions
Les fractions doivent encore être fabriquées en laboratoire ; cependant, cela va probablement se transformer. Il a été démontré que des cristaux spécifiques avec des problèmes immobiles sont mathématiquement similaires aux fractons. Et le paysage théorique du fracton s’est déployé au-delà de ce que tout le monde avait prévu, avec de nouveaux modèles qui apparaissent chaque mois.
“Très probablement dans un proche avenir, quelqu’un prendra parmi ces propositions et dira :” OK, faisons une expérience courageuse avec des atomes froids et réalisons précisément parmi ces versions de fractons “”, a déclaré Brian Skinner, un physicien des problèmes condensés à l’Ohio State University qui a conçu des versions fracton.
De plus, sans leur compréhension spéculative, la simple opportunité académique des fractons a sonné l’alarme pour Seiberg, un expert de premier plan dans le concept d’aire quantique, le cadre théorique dans lequel presque toutes les sensations physiques sont actuellement décrites.
La théorie des aires quantiques illustre des bits distincts comme des excitations dans des champs continus qui s’étendent à travers la pièce et le temps. C’est la théorie physique la plus réussie jamais trouvée, et elle englobe la conception conventionnelle de la physique des particules, l’équation remarquablement exacte régulant toutes les particules élémentaires reconnues.
« Les fractions ne rentrent pas dans cette structure. Je pense donc que le cadre est insuffisant », a déclaré Seiberg.
Il existe d’autres excellents facteurs pour supposer que la théorie quantique des champs est insuffisante ; pour un point, il ne tient pas compte jusqu’à présent de la force de gravité. S’ils peuvent découvrir comment définir les fractons dans le cadre de la théorie quantique des aires, Seiberg et divers autres théoriciens prédisent de nouvelles idées vers un concept de gravité quantique viable.
“La discrétion des fractions est peut-être nuisible, car elle peut gâcher toute la structure que nous avons déjà”, a déclaré Seiberg. “Mais soit vous dites que c’est un problème, soit vous prétendez que c’est une chance.”.
Lui et ses collègues créent des concepts de champ quantique uniques qui tentent d’englober l’étrangeté des fractons en permettant un comportement discret en plus d’un socle d’espace-temps constant.
“Le concept de champ quantique est une structure très délicate, nous aimerions donc transformer la réglementation aussi basse que possible”, a-t-il déclaré. “Nous marchons sur de la glace très mince, espérant atteindre l’autre côté.”.
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