Kaskaden til kritik

Kombineret teoretisk og eksperimentelt arbejde har resulteret i en ny mekanisme, hvorigennem der kommer kritikalitet frem i kvasiperiodiske strukturer - et fund, der giver en unik indsigt i fysikken på mellemvejen mellem orden og uorden.

Quasiperiodiske strukturer, som er bestilt, men ikke er strengt periodiske, er en kilde til ekstraordinær skønhed i naturen, kunst og videnskab. For fysikere, kvasiperiodisk orden er både æstetisk og intellektuelt tiltalende. Talrige fysiske processer, der er godt beskrevet i periodiske strukturer, ændrer fundamentalt deres karakter, når de sker i kvasiperiodiske systemer. Tilføj kvantemekanik, og slående nye fænomener kan dukke op, som stadig ikke er fuldt forstået. Skriver ind Naturfysik , et internationalt team ledet af Oded Zilberberg fra Institute of Theoretical Physics ved ETH Zürich og af CNRS-fysikforskere Jacqueline Bloch fra Université Paris-Saclay og Alberto Amo fra Lille University, beskriver nu kombineret teoretisk og eksperimentelt arbejde, hvor de etablerer alsidige værktøjer til at udforske kvantesystemernes adfærd i en bred vifte af endimensionelle kvasiperiodiske indstillinger - og demonstrerer styrken af ​​deres tilgang til at afdække nye fysiske mekanismer.

Indviklet skønhed

Essensen, og skønhed, af kvasiperiodiske strukturer kan forstås ved at overveje gulvplader. Et gulv kan let flisebelagt uden huller ved hjælp af identiske stykker af, for eksempel, trekantet, kvadratisk eller sekskantet form, gentagelse af et simpelt mønster. Men en plan overflade kan også være fuldt dækket af ikke-gentagende mønstre, og det ved kun at bruge to typer rhomboide fliser, som den engelske fysiker og matematiker Roger Penrose berømt har vist (se figuren). I det tilfælde, selvom lokale konfigurationer vises forskellige steder, det overordnede mønster kan ikke overlejres med sig selv ved translation og rotation. Som sådan, disse systemer optager en slags mellemvej mellem periodiske og tilfældigt uordnede strukturer.

På den mellemvej, der er spændende fysik, der skal udforskes. Tag en perfekt ordnet krystal. Der, periodiciteten tillader bølgelignende udbredelse af elektroner gennem materialet, for eksempel i et metal. Hvis den krystallinske perfektion forstyrres ved at indføre uorden, adfærden ændrer sig. For lave niveauer af lidelse, materialet fører stadig, men mindre godt. På et eller andet niveau af uorden dog elektronerne holder op med at udbrede sig og bliver kollektivt lokaliseret, i en proces kendt som Anderson-lokalisering. For periodiske gitter, denne effekt er først blevet beskrevet i 1958 (af 1977 Physics Nobel-pristager Philip Anderson, der døde den 29. marts i år). Men hvordan sådanne processer udspiller sig i kvasiperiodiske strukturer er fortsat et område for aktiv forskning.

Indsigtsfuld interpolation

En lang række ukonventionelle fysiske fænomener er blevet beskrevet for kvasiperiodiske systemer, men der eksisterer ingen overordnet ramme for at håndtere bølgeudbredelse i kvasiperiodiske strukturer. Der er, imidlertid, forskellige modeller, der gør det muligt at studere specifikke aspekter af transport og lokalisering. To paradigmatiske eksempler på sådanne modeller er Aubry-André og Fibonacci-modellerne, som hver især beskriver forskellige fysiske fænomener, ikke mindst når det kommer til lokaliseringsegenskaber.

I Aubry-André-modellen, der er to forskellige parameterområder, hvor partiklerne kan være i enten 'forlængede' eller lokaliserede tilstande (i samme betydning som elektroner enten kan forplante sig gennem et materiale eller sidde fast i en isolerende tilstand). Derimod, i Fibonacci-modellen er der ikke et specifikt kritisk punkt, der adskiller de to regimer, men for enhver parameter er systemet i en så kritisk tilstand mellem lokaliseret og udvidet. På trods af deres skarpt kontrasterende adfærd, de to modeller er forbundet med hinanden, og man kan løbende transformeres til hinanden. Dette er noget Zilberberg, arbejdede derefter på Weizmann Institute of Science i Israel, havde vist i gennembrudsarbejde med sin kollega Yaacov Kraus i 2012. Spørgsmålet, der stod tilbage, var, hvordan de to så forskellige lokaliseringsadfærd hænger sammen.

Ophober ny indsigt

For at besvare det spørgsmål, Zilberberg med sin ph.d. studerende Antonio Štrkalj og hans tidligere postdoc Jose Lado (nu ved Aalto University) gik sammen med CNRS -eksperimenter Jacqueline Bloch og Alberto Amo og deres ph.d. studerende Valentin Goblot (nu hos virksomheden STMicroelectronics). De franske fysikere havde perfektioneret en fotonisk platform - såkaldte hulrum-polariton-gitter - hvori lys kan ledes gennem halvledernanostrukturer, mens de oplever interaktioner, der ligner dem, der virker på elektroner, der bevæger sig gennem en krystal. Vigtigere, de fandt måder at generere kvasiperiodiske moduleringer i deres fotoniske ledninger, der gjorde dem i stand til at implementere eksperimentelt, for første gang i noget system, Kraus-Zilberberg-modellen. Optiske spektroskopiske eksperimenter udført lokalt på disse fotoniske kvasi-krystaller giver den udsøgte mulighed for direkte at afbilde lyslokalisering i systemerne.

Ved at kombinere deres teoretiske og eksperimentelle værktøjer, forskerne var i stand til at spore, hvordan Aubry-André-modellen udvikler sig til at blive fuldstændig kritisk i grænsen af ​​Fibonacci-modellen. Mod naive forventninger, holdet viste, at dette ikke sker på en glat måde, men gennem en kaskade af lokaliserings-delokaliseringsovergange. Starter, for eksempel, fra området af Aubry-André-modellen, hvor partikler er lokaliseret, ved hvert trin i kaskadeprocessen smelter energibånd sammen i en faseovergang, hvor partikler passerer gennem materialet. På den anden side af den kaskadede overgang, lokaliseringen omtrent fordobles, gradvist at sende staterne i Aubry-André-modellen mod fuld kritik, når den omdannes til Fibonacci-modellen.

Situationen ligner en vis lighed med, hvad der sker med en bunke ris, når korn tilsættes én efter én. I nogen tid, nyligt tilføjede korn vil bare sidde, hvor de landede. Men når først skråningen på landingsstedet overstiger en kritisk stejlhed, en lokal lavine fremkaldes, fører til en omlægning af dele af pæleoverfladen. Gentagelse af processen fører til sidst til en stationær bunke, hvor et ekstra korn kan udløse en lavine på enhver af de relevante størrelsesskalaer - en 'kritisk' tilstand. I de quasiperiodiske systemer, situationen er mere kompleks på grund af de involverede partiklers kvantekarakter, hvilket betyder, at disse ikke bevæger sig som partikler, men blander sig som bølger gør. Men også i denne indstilling, udviklingen mod en overordnet kritisk tilstand sker, som i risbunken, gennem en kaskade af diskrete overgange.

Med den teoretiske beskrivelse og eksperimentelle observation af denne kaskade til kritikalitet, holdene har med succes forbundet kvantefænomener på to paradigmatiske modeller af kvasiperiodiske kæder, tilføjer unik indsigt i fremkomsten af ​​kritikalitet. I øvrigt, de udviklede en fleksibel eksperimentel platform for yderligere udforskning. Betydningen af ​​disse eksperimenter går stærkt ud over lysegenskaber. elektronernes opførsel, atomer og andre kvanteenheder er styret af den samme fysik, som kunne inspirere til nye måder til kvantestyring i enheder. Ligesom appel af kvasiperiodiske mønstre overskrider discipliner, potentialet til at inspirere videnskabelige og i sidste ende teknologiske fremskridt synes på samme måde grænseløst.