Η θερμότητα υποτίθεται ότι καταστρέφει οτιδήποτε «αγγίζει». Όμως μια ομάδα φυσικών απέδειξε θεωρητικά πως μια μορφή μαγνητικής τάξης δεν καταστρέφεται από την θερμότητα.

Το φως του ήλιου λιώνει τις νιφάδες χιονιού. Η φωτιά μετατρέπει τα κούτσουρα σε αιθάλη και καπνό. Αν θερμάνουμε έναν μαγνήτη πάνω από μια συγκεκτριμένη θερμοκρασία χάνει τις μαγνητικές ιδιότητές του. Υπάρχουν αμέτρητα παραδείγματα όπου η μεγάλη αύξηση της θερμοκρασίας καταστρέφει τις δομές και τα μοτίβα της ύλης.

Όμως, φαίνεται πως υπάρχει μια εντυπωσιακή εξαίρεση. Σε μια σειρά δημοσιεύσεων τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί έδειξαν ότι μια ιδεατή ουσία που μοιάζει με δύο αναμεμειγμένους μαγνήτες μπορεί – θεωρητικά – να διατηρήσει ένα διατεταγμένο μοτίβο ανεξάρτητα από το πόσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Η ανακάλυψη μπορεί να επηρεάσει την κοσμολογία ή την προσπάθεια να χρησιμοποιηθούν τα κβαντικά φαινόμενα, όπως η υπεραγωγιμότητα, σε θερμοκρασία δωματίου.

Σε μια διάλεξη στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ το 2019, ο φυσικός Zohar Komargodski, είχε υποστηρίξει ότι οποιαδήποτε μορφή τάξης – όπως η κανονική απόσταση των ατόμων σε ένα στερεό ή η ευθυγράμμιση των ατόμων σε έναν μαγνήτη – αναπόφευκτα καταρρέει σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες. Στο κοινό βρίσκονταν ο Eliezer Rabinovici από το Εβραϊκό Πανεπιστήμιο, ο οποίος ρώτησε τον Komargodski αν ήταν σίγουρος ότι αυτό αληθεύει. Μετά τη συζήτηση, οι δυο τους άρχισαν να διερευνούν το ερώτημα, μαζί με άλλους συναδέλφους τους.

Δεν ήταν οι πρώτοι φυσικοί που προβληματίστηκαν σχετικά με αυτό το ζήτημα.
Στη δεκαετία του 1950, ο Isaak Pomeranchuk στην Σοβιετική Ένωση είχε υπολογίσει ότι η ελαφρά θέρμανση των υπερψυχρών ατόμων υγρού ηλίου-3 θα τα έκανε να παγώσουν. Ένας κρύσταλλος γνωστός ως αλάτι Rochelle (ή τρυγικό καλιονάτριο), το οποίο χρησιμοποιείται ως καθαρτικό, οργανώνεται σε μια πιο διατεταγμένη δομή σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Τέτοιες παραξενιές παρακίνησαν στη δεκαετία του 1970, τον φυσικό και νομπελίστα Steven Weinberg, να αναπτύξει μια κβαντική θεωρητική προσέγγιση που εξηγεί την αντίσταση της τάξης έναντι της θερμότητας. Αλλά τόσο στο υγρό ήλιο όσο και στο αλάτι Rochelle, η περαιτέρω θέρμανση καταστρέφει την τάξη. Και η θεωρία του Weinberg αποτύγχανε επίσης πάνω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία.
Ήταν δυνατό κάποιο μοτίβο να παραμείνει συνεχώς αναλλοίωτο, ανεξάρτητα από την θερμοκρασία; Οι Komargodski, Rabinovici και οι συνεργάτες τους είχαν σκοπό να το ανακαλύψουν.

Τάξη που αντιστέκεται στην θερμότητα

Φανταστείτε έναν αριθμο ατόμων διατεταγμένα σε ένα ορθογώνιο πλέγμα. Κάθε άτομο λειτουργεί σαν ένας μίνι-μαγνήτης με έναν βόρειο πόλο που δείχνει πάνω ή κάτω:

Αν τα άτομα ευθυγραμμίζονται με κάποιο μοτίβο – για παράδειγμα, όλα δείχνουν την ίδια κατεύθυνση – τότε λέμε πως το υλικό έχει μαγνητική τάξη. Φανταστείτε να τοποθετείτε αυτό το πλέγμα απευθείας πάνω από ένα δεύτερο ατομικό πλέγμα.

Τα άτομα του νέου πλέγματος μπορούν να προσανατολίζονται ως προς οιαδήποτε κατεύθυνση, σε αντίθεση με τα άτομα του αρχικού που κατευθύνονται μόνο πάνω ή κάτω. Τα κοντινά άτομα θα αλληλεπιδρούν, και οι κυματισμοί στο ένα πλέγμα θα προκαλούν κυματισμούς στο άλλο. Τώρα εστιάζουμε μέχρι να εξαφανιστούν οι γραμμές πλέγματος και το σύστημα να γίνει ένα ομαλό φύλλο – ένα κβαντικό πεδίο. Τα άτομα έχουν εξαφανιστεί, αλλά το πεδίο εξακολουθεί να έχει δύο μαγνητικά βέλη σε κάθε σημείο: το ένα με κατεύθυνση πάνω ή κάτω και το άλλο προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Κάπως έτσι είναι και το είδος πεδίου που οι ερευνητές βρήκαν ότι θεωρητικά μπορεί να διατηρήσει τη μαγνητική τάξη σε κάθε θερμοκρασία.

Σε χαμηλές θερμοκρασίες τα βέλη πάνω-κάτω ωθούνται μεταξύ τους προς ευθυγράμμιση – π.χ. όλα προς τα πάνω – ενώ τα ελεύθερα βέλη δείχνουν σε τυχαίες κατευθύνσεις. Καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει, θα περίμενε κανείς ότι η θερμική ενέργεια αρχίζει να διαταράσσει βίαια όλα τα βέλη, εξαφανίζοντας κάθε ευθυγράμμιση. Αλλά δεν το κάνει. Τα ελεύθερα βέλη περιστρέφονται τυχαία περισσότερο, σταθεροποιώντας τη μαγνητική διάταξη των βελών πάνω-κάτω. Κι αυτή η διάταξη επιβιώνει ακόμη και όταν η θερμοκρασία μεγαλώνει όλο και περισσότερο τείνοντας να γίνει άπειρη. Η μαγνητική τάξη δεν λιώνει ποτέ.

Το φαινόμενο λειτουργεί καλύτερα όταν τα ανεξάρτητα βέλη έχουν μεγαλύτερη ελευθερία. Ο Komargodski φαντάζεται βέλη που είναι ελεύθερα να δείχνουν προς οποιαδήποτε κατεύθυνση σε έναν αφηρημένο χώρο εκατοντάδων διαστάσεων. Ωστόσο, αυτές δεν χρειάζεται να είναι κυριολεκτικά κατευθύνσεις στον πραγματικό χώρο. Αντιπροσωπεύουν όλους τους τρόπους με τους οποίους το πεδίο μπορεί να διαφέρει μαθηματικά από σημείο σε σημείο.

Το 2020, ο Komargodski και οι συνεργάτες του υπολόγισαν ότι ο μαγνητισμός θα αντέξει σε ένα τέτοιο το σύστημα ακόμη κι όταν η θερμοκρασία γίνεται άπειρη, αλλά τα μαθηματικά τους βασίστηκαν στην υπόθεση ότι οι πιθανότητες δεν χρειάζεται να αθροίζονται ακριβώς στο 100% – κι αυτό είναι μια φυσική και λογική αδυναμία.

Εγκατέλειψαν την αναζήτηση μιας πλήρους απόδειξης μέχρι το προηγούμενο φθινόπωρο, όταν οι φυσικοί Michael Scherer, Junchen Rong και Bilal Hawashin έδωσαν νέα ώθηση στο ζήτημα. Αποκατέστησαν στο 100% τις πιθανότητες (με το τίμημα της παράβλεψης ορισμένων ήπιων μαγνητικών αλληλεπιδράσεων) και διαπίστωσαν ότι η τάξη παρέμεινε για βέλη που περιστρέφονταν σε μόλις 15 αφηρημένες διαστάσεις. Η εργασία τους ενέπνευσε τους φυσικούς Komargodski και Fedor Popov, να επιστρέψουν στο πρόβλημα και τελικά να βρουν μια αυστηρή απόδειξη της αναλλοίωτης τάξης που ξεπερνά όλες τις προηγούμενες ελλείψεις. Έκαναν μια προδημοσίευση της εργασίας τους τον περασμένο Δεκέμβριο και την υπέβαλλαν προς δημοσίευση σε περιοδικό με κριτές.

Γνωρίζοντας ότι η τάξη θεωρητικά μπορεί να επιβιώσει σε οποιαδήποτε ποσότητα θερμότητας, αυτό με τη σειρά του μπορεί να επηρεάσει τις θεωρίες για τη γέννηση του σύμπαντος. Μέχρι σήμερα οι κοσμολόγοι θεωρούν ότι η τάξη αναπτύχθηκε καθώς η κόλαση του νεαρού σύμπαντος ψύχθηκε. Όμως, η πρόσφατη δημοσίευση επισημαίνει μη αναμενόμενες παράξενες δυνατότητες.

Αυτός ο νέος τρόπος θερμο-αντοχής των κβαντικών μοτίβων μπορεί επίσης να εμπνεύσει τους φυσικούς που μελετούν ευαίσθητα φαινόμενα όπως η υπεραγωγιμότητα, μια φάση της ύλης στην οποία το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει χωρίς αντίσταση. Κανονικά, η αύξηση της θερμοκρασίας διαταράσσει την κβαντική τάξη που καθιστά δυνατή την υπεραγωγιμότητα, περιορίζοντας τις εφαρμογές της. Αλλά ίσως σε ένα υλικό που δανείζεται βασικά χαρακτηριστικά από την νέα θερμοανθεκτική μαγνητική θεωρία, θα μπορούσε να παραμένει υπεραγωγός σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες.

Προς το παρόν παραμένει αμφίβολο αν αυτή η μεγαλεπίβολη θεωρητική προσδοκία χωράει στο μικρό καλάθι που συνήθως κρατάνε οι πειραματικοί φυσικοί.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες στο περιοδικό Quantamagazine: https://www.quantamagazine.org/heat-destroys-all-order-except-for-in-this-one-special-case-20250116/

Κατηγορίες:ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ, ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ

Ετικέτες: PHYSICS