211service.com
Topoloog voorspelt nieuwe vorm van materie
In 1970 deed een jonge natuurkundige die in de Sovjet-Unie werkte een contra-intuïtieve voorspelling. Vitaly Efimov, nu verbonden aan de Universiteit van Washington in de VS, toonde aan dat kwantumobjecten die geen paren kunnen vormen, toch drielingen kunnen vormen.
In 2006 vond een groep in Oostenrijk het eerste exemplaar van zo'n zogenaamde Efimov-staat in een koud gas van cesiumatomen.
Dat is raadselachtig. De bindingen die drielingen bij elkaar houden, zijn zeker dezelfde als die welke paren binden. Eigenlijk niet! Het blijkt dat er een subtiel maar belangrijk verschil is dat deze bindingen totaal anders maakt.
Vandaag doet Nils Baas van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie opnieuw een verrassende voorspelling. Hij zegt dat de vreemde, wereldvreemde bindingen waardoor cesiumatomen in drietallen aan elkaar kunnen kleven, ook de vorming van veel complexere objecten mogelijk moeten maken. Hij zegt zelfs dat we op het punt staan een geheel nieuwe vorm van materie te ontdekken die wordt beheerst door een geheel nieuwe tak van de natuurkunde.
Achter dit vreemde resultaat schuilt een tak van de wiskunde die topologie wordt genoemd, de studie van vorm. Topologie houdt zich in het bijzonder bezig met de vormeigenschappen die behouden blijven wanneer een object wordt samengedrukt, uitgerekt en getrommeld, maar niet wordt gescheurd.
Een handig voorbeeld om te overwegen is de beroemde Borromeïsche ring linksboven. Het bestaat uit drie cirkels die zodanig met elkaar verweven zijn dat het snijden van de ene de andere twee vrijgeeft.
Een belangrijk punt hier is dat de cirkels in een plat tweedimensionaal vlak geen Borromeaanse ring kunnen vormen. Maar introduceer een derde dimensie en ineens kunnen de cirkels op deze manier met elkaar verbonden worden. Natuurlijk zou elke platlander die in dit 2D-vliegtuig leeft, volkomen in de war zijn door deze eigenschap.
Het blijkt dat er een formele wiskundige analogie bestaat tussen de Borromeïsche ring en de vreemde tripletten van cesium die Efimov voorspelde. De wiskunde van de kwantummechanica en van de topologie blijken hetzelfde te zijn.
Maar hier is het ding: de bindingen die voortkomen uit de topologie van de kwantummechanica zijn volkomen wereldvreemd. Terwijl gewone materie, het spul waar je op je knokkels klopt, duidelijk beperkt is tot drie dimensies, bestaat de wiskunde van de kwantummechanica in een geheel andere reeks dimensies. En het is in deze ruimte dat de Borromeïsche ringen worden gevormd.
Het resultaat is een soort parallelle fysica, waarin de gedragswetten in dit parallelle universum een onontkoombare, spookachtige greep op ons eigen universum uitoefenen.
En het zijn niet alleen de bindingen tussen atomen die tot stand komen. Natuurkundigen beginnen geleiders en isolatoren te bouwen waarin de beweging van elektronen wordt bepaald door de topologie van de kwantummechanica. Zogenaamde topologische isolatoren zijn momenteel een groot onderwerp in de vastestoffysica.
En topologie staat op het punt haar invloed uit te breiden, als Baas zijn zin krijgt. Hij wijst erop dat Borromeïsche ringen slechts het eenvoudigste voorbeeld zijn van een volledig periodiek systeem van topologische structuren. En als het mogelijk is om Efimov-toestanden te maken die equivalent zijn aan Borromeaanse ringen, dan zou het ook mogelijk moeten zijn om de andere te maken.
Deze familie van dingen zal een nieuwe staat van materie zijn die wordt geregeerd door nieuwsregels, een soort Efimov-fysica.
Hoe zou dit spul zich kunnen gedragen? Dat is nog niet duidelijk, maar Baas brengt een interessante mogelijkheid naar voren. De diepe en wereldvreemde link tussen deeltjes in Efimov-staten lijkt opmerkelijk veel op kwantumverstrengeling.
Niemand weet zeker of ze identiek zijn, maar als dat zo is, zal de Efimov-fysica een nieuwe manier bieden om na te denken over verstrengeling en hoe deze te genereren en te exploiteren. Dat zal belangrijke implicaties hebben voor cryptografie, informatica en informatiewetenschap in het algemeen.
De Nobelprijswinnende natuurkundige Murray Gell-Mann zei ooit: Alles wat niet verboden is, is verplicht. Hij verwees naar de manier waarop deeltjes op elkaar inwerken in de kwantummechanica. Met andere woorden, als er geen reden is waarom deeltjes niet op een bepaalde manier kunnen interageren, dan moeten ze op die manier interageren.
Het lijkt erop dat we gaan zien hoe diepgaand en verstrekkend deze verklaring werkelijk was.
Referentie: arxiv.org/abs/1012.2698 : Nieuwe toestanden van materie voorgesteld door nieuwe topologische structuren