Fizicienii au descoperit o proprietate a materiei nemaiîntâlnită până acum

În ultimii 25 de ani, fizicienii au tot observat un fenomen neobişnuit – o emisie de căldură – atunci când realizau experimente care implicau răcirea unui compus al uraniului până aproape de temperatura de zero absolut.

Când compusul respectiv, URu₂Si₂, era răcit la temperatura de -261 grade Celsius, se observa o descreştere a „haosului” din sistem: moleculele treceau brusc într-o stare ordonată, proces însoţit de o emisie de căldură căreia oamenii de ştiinţă nu-i puteau găsi o explicaţie. De unde venea această cantitate de căldură suplimentară?

• Mici, dar istețe: cum influențează lumea insectele și alte nevertebrate?
• Coreea de Nord sfidează ONU și lansează mai multe rachete balistice

Răspunsul cel mai probabil, care a fost prezentat într-o lucrare publicată în Nature de către Piers Coleman, profesor la Universitatea Rutgers, SUA, are în centru observaţia că acest material suferă o tranziţie de fază (cum este şi trecerea apei din stare lichidă în stare solidă, prin îngheţare), la nivel cuantic însă, reflectând existenţa unei proprietăţi a materiei anterior necunoscută.

În căutarea unor noi materiale cu proprietăţi exotice, fizicienii urmăresc mereu modul în care electronii se deplasează şi se influenţează unii pe ceilalţi. Pentru a descoperi proprietăţi care apar în condiţii extreme, specialiştii în fizică teoretică (precum Piers Coleman) elaborează ecuaţii pe care le trimit apoi specialiştilor în fizică experimentală, care le testează utilizând echipamente precum LHC, pentru a verifica dacă sunt corecte. 

„Pe parcurs, dăm uneori peste ceva uimitor, cum ar fi superconductivitatatea la temperaturi ridicate, care este aplicată în cazul trenurilor cu levitaţie”, spune prof. Coleman.

Noile proprietăţi fizice sunt caracterizate prin aşa-numite ruperi ale simetriei (de ordin fizic), un fenomen pe care îl vedem zilnic. Dacă rotim o sferă în jurul axei ei, va arăta la fel în orice punct al rotaţiei, dar, dacă rotim un cub, arată la fel la fiecare 90 de grade de rotaţie, nu permanent. Deci, cubul rupe simetria rotaţională continuă.

Magneţii exemplifică o rupere de simetrie care e mai dificil de vizualizat, deoarece se referă la o caracteristică numită de fizicieni „simetrie prin inversarea timpului” sau simetrie-T. E vorba despre ideea că mişcarea particulelor arată la fel indiferent că se desfăşoară înainte sau înapoi în timp, „ca şi cum ai derula un film înainte şi înapoi”, spune prof. Coleman, pentru comparaţie.

În cazul magneţilor, dacă derulezi filmul înapoi, câmpul magnetic produs îşi inversează direcţia. Trebuie să inversezi de două ori timpul pentru a readuce câmpul magnetic la starea originară.

Ceea ce au observat oamenii de ştiinţă în cazul răcirii compusului de uraniu era că substanţa crea o rupere a dublei simetrii-T – de două ori mai complexă decât în exemplul cu magneţii. Fizicienii au denumit această nouă proprietate ordine hastatică – după cuvântul hasta, un cuvânt latin care înseamnă suliţă, cu care seamănă particulele în starea ordonată.

Teoria a fost testată şi confirmată prin experimente relizate în acceleratoare de particule din SUA şi Japonia.

”Particulele existente în natură se împart în două categorii. Unele au o proprietate care, supusă inversării timpului, revine la starea ei iniţială” (ca o bilă care revine în punctul din care a plecat, după ce a parcurs un traseu circular), a explicat prof. Coleman. 

”Altele revin la strea iniţială doar atunci când se realizează de două ori inversarea timpului”. O asemenea proprietate au electronii, care pot fi descrişi prin analogie cu o bilă care se rostogoleşte de-a lungul unei panglici Möbius (în geometrie, panglica Möbius descrie o suprafaţă care are o singură faţă – vezi figura de mai jos.). O rotire îi readuce în punctul din care au plecat, dar orientaţi invers.

Noua teorie a ordinii, care implică spinul electronilor (o proprietatate cuantică intrinsecă legată de mişcarea de rotaţie a electronilor), rupe dubla simetrie-T şi prezintă o simetrie-T cvadruplă. 

După spusele prof. Coleman, ne aflăm în plină „revoluţie cuantică” şi specialistul anticipează că noile descoperiri în acest domeniu ar putea duce, într-o bună zi, la inventarea unor tehnologii revoluţionare, extrem de performante.

Sursa: The Verge