30 siders beregninger afgør en 30-årig debat om en mystisk ny fase af materien

Zoom ind på en krystal, og du vil finde en ordnet række af atomer, jævnt fordelt som vinduerne i Empire State Building. Men zoom ind på et stykke glas, og billedet ser lidt mere rodet ud - mere som en tilfældig bunke sand, eller måske vinduerne på en Frank Gehry-bygning.

Krystallernes højordnede natur gør dem ret nemme at forstå matematisk, og fysikere har udviklet teorier, der fanger alle mulige krystalegenskaber, fra hvordan de optager varme til hvad der sker når de går i stykker.

Men det samme kan ikke siges om glasagtig, amorfe eller på anden måde "uordnede" materialer såsom glasset i vores vinduer og vaser, frosne fødevarer, og visse plasttyper. Der er ingen almindeligt anerkendte teorier til at forklare deres fysiske adfærd.

I næsten 30 år, fysikere har diskuteret, om en mystisk faseovergang, til stede i teoretiske modeller af uordnede materialer, findes muligvis også i virkelige briller. Med hjælp fra noget matematisk trolddom lånt fra partikelfysik – plus snesevis af sider med algebraiske beregninger, alt udført i hånden - Duke University postdoc Sho Yaida har lagt dette mysterium til hvile.

Yaidas indsigt åbner muligheden for, at nogle typer glas kan eksistere i en ny stoftilstand ved lave temperaturer, påvirke, hvordan de reagerer på varme, lyd og stress, og hvordan og hvornår de går i stykker.

"Vi fandt antydninger af overgangen, som vi ikke turde sige var bevis på overgangen, fordi en del af samfundet sagde, at den ikke kunne eksistere, " sagde Patrick Charbonneau, lektor i kemi hos Duke og Yaidas rådgiver. "Hvad Sho viser er, at det kan eksistere."

Ufatteligt som det kan virke, Charbonneau sagde, matematikken bag briller og andre uordnede systemer er faktisk meget lettere at løse ved at antage, at disse materialer eksisterer i et hypotetisk uendeligt-dimensionelt univers. I uendelige dimensioner, deres egenskaber kan beregnes relativt nemt - meget ligesom hvordan krystallers egenskaber kan beregnes for vores tredimensionelle univers.

"Spørgsmålet er, om denne model har nogen relevans for den virkelige verden." sagde Charbonneau. For forskere, der har udført disse beregninger, "spillet var, at når du ændrer dimension, ting ændrer sig langsomt nok til, at du kan se, hvordan de forvandles, når du går fra et uendeligt antal dimensioner til tre, " han sagde.

Et træk ved disse uendelige dimensionelle beregninger er eksistensen af ​​en faseovergang - kaldet "Gardner-overgangen" efter den banebrydende fysiker Elizabeth Gardner - som, hvis det findes i glas, kunne ændre deres egenskaber væsentligt ved lave temperaturer.

Men skiftede denne fase, klart til stede i uendelige dimensioner, findes også i tre? Tilbage i 1980'erne, et hold fysikere lavede matematiske beregninger, der viste, at nej, det kunne det ikke. I tre årtier, det fremherskende synspunkt var fortsat, at denne overgang, selvom det er teoretisk interessant, var irrelevant for den virkelige verden.

Det er, indtil nylige eksperimenter og simuleringer af Charbonneau og andre begyndte at vise antydninger af det i tredimensionelle briller.

"Den nye drivkraft til at se på dette er, at når man angriber problemet med glasdannelse, de fandt en overgang meget lig den, der dukkede op i disse undersøgelser, " sagde Charbonneau. "Og i denne sammenhæng kan det have betydelige materialeanvendelser."

Yaida, som har en baggrund i partikelfysik, tog endnu et kig på de gamle matematiske beviser. Disse beregninger havde ikke fundet et "fast punkt" i tre dimensioner, en forudsætning for eksistensen af ​​en faseovergang. Men hvis han tog beregningen et skridt mere, han tænkte, svaret kan ændre sig.

En måned og 30 siders beregninger senere, han havde det.

"Øjeblikke som disse er grunden til, at jeg laver videnskab, " sagde Yaida. "Det er bare et punkt, men det betyder meget for folk på dette felt. Det viser, at denne eksotiske ting, som folk fandt i halvfjerdserne og firserne, har en fysisk relevans for denne tredimensionelle verden."

Efter et år med kontrol og genkontrol, plus yderligere 60 sider med understøttende beregninger, resultaterne blev offentliggjort 26. maj i Fysisk gennemgangsbreve .

"Det faktum, at denne overgang faktisk eksisterer i tre dimensioner, betyder, at vi kan begynde at lede efter den seriøst, " sagde Charbonneau. "Det påvirker, hvordan lyd forplanter sig, hvor meget varme kan absorberes, transport af information derigennem. Og hvis du begynder at klippe glasset, hvordan det vil give, hvordan det vil bryde."

"Det ændrer dybt, hvordan vi forstår amorfe materialer generelt, uanset om det er amorf plast eller bunker af sand eller vinduesglas, " han sagde.