At lave en superleder flydende-fast ud af vakuumet med hundrede-exatesla-stærke magnetiske felter

Nu kommer vi til det kontroversielle spørgsmål om værket offentliggjort i Physical Review Letters som jeg har været medforfatter til:Kan vi lave en superleder uden brug af noget materiale ved kun at anvende et magnetfelt? Dette spørgsmål lyder både kontroversielt og ikke særlig smart, givet det, vi lige har beskrevet indtil videre.

For det første, for at få en superledende tilstand, har vi brug for stof - i form af kobberparrene. For det andet ser det ud til, at vi skal undgå at udsætte denne tilstand for magnetiske felter, der er for stærke, da de kan ødelægge den superledende strøm.

Det ikke-materielle krav betyder, at vi opfordres til at arbejde med "intet" som vores ... ja, "materiale." Her betyder "intet" det mest tomme intet, vi kan nå, det vil sige et vakuum. Vakuumet indeholder pr. definition intet stof, ingen partikler og ingen energi. At påføre et stærkt magnetfelt på vakuumet lyder som en håbløs idé, da magnetfeltet ikke har noget at påvirke i det.

Vakuumet er dog ikke helt tomt, takket være Heisenberg-usikkerhedsprincippet, en hjørnesten i kvantefysikken. Vakuumet omrøres med aktiviteten af ​​virtuelle partikler, der dukker op og forsvinder i korte øjeblikke og danner en kogende suppe af kvanteudsving.

Vores team, ved hjælp af avancerede første-princip numeriske simuleringer, har vist, at et tilstrækkeligt stærkt magnetfelt får disse kvanteudsving til at materialisere sig i form af et fast stof. Dette faste stof ser ud til at være lavet af hvirvellignende stof, hvor individuelle hvirvler er omtrent strømlinede langs magnetfeltet. Eksistensen af ​​et sådant fast stof er blevet antaget i slutningen af ​​1980'erne, med et første principbevis på dets eksistens manglede før vores arbejde.

For at tilføje mere forvirring til vores opdagelse, nævner vi, at dette eksotiske faste stof også har specifikke egenskaber for en væske:Hvirvlerne slingrer og bevæger sig, som i en væske, men forbliver tilnærmelsesvis fikserede til bestemte positioner som i et fast stof. I modsætning til et typisk fast stof, observerer vi ingen krystalstruktur på noget tidspunkt. I modsætning til en væske udveksler vortex-bestanddelene i dette mærkelige materiale ikke deres rumlige positioner.

Endnu mere forvirrende, resultaterne af vores analyse antyder stærkt, at denne født-fra-vakuum-tilstand er en ... superleder. Når det er sagt, kan vi måske huske den tidligere del af denne historie, hvor magnetfeltet blev udråbt til at være en fjende af superledning. Det sidste udsagn kan dog ikke længere anvendes på vores superledning, som bogstaveligt talt er født af ingenting ... af det samme magnetfelt.

Sandsynligvis, efter at have erklæret disse fremmede træk ved vakuum-superledning, kommer det ikke som en overraskelse, at dette mærkelige fast-væske-hvirvel-superledende stof - lad os kalde det "substans" - også besidder endnu en egenskab, superfluiditet. Superfluiditeten - en elektrisk neutral fætter til superledning - indebærer, at det pågældende stof rummer en væskelignende komponent, der er i stand til at flyde uden viskositet.

Mens superledning og superfluiditet af vakuum er blevet antaget af en medforfatter til denne undersøgelse i 2010, kommer hvirveltilstandens flydende natur som en forbløffende overraskelse.

Kort sagt er den opdagede tilstand en af ​​de mest eksotiske "noget" nogensinde. Måske fordi dette "noget" er skabt bogstaveligt fra "intet."

En nysgerrig læser kan nu med rimelighed spørge, hvad styrken af ​​det magnetiske felt, der kræves for at producere dette stof, er? Det er ikke noget, der kan laves ved hjælp af for eksempel en køleskabsmagnet. Og af hvilke præcis virtuelle partikler er det skabt?

For at opnå den superledende vakuumtilstand skal magnetfelterne nå ca. 0,74×10 ²⁰ Tesla (74 exatesla, hvor en exatesla er lig med enhed efterfulgt af 18 nuller). Denne styrke er meget stærkere, end den kan findes i vores køleskabsmagnet, stødt på ved en undersøgelse på MR eller endda skabt i de mest avancerede laboratorier på Jorden. Det er meget stærkere end feltet i det indre af hvide dværge eller endda omkring den stærkeste magnetiserede neutronstart, magnetarer.

Hvad angår partikelindholdet, opnås superledningsevnen ved kondensering af elektrisk ladede W-bosoner. Samtidig opretholdes superfluiditeten af ​​det sameksisterende kondensat af neutrale Z-bosoner.

På dette tidspunkt kan man stille endnu et spørgsmål:Hvis vi øger magnetfeltet yderligere, ville disse hvirvler blive mere robuste og danne en krystal? Svaret er negativt. I stedet afslørede vores simuleringer noget endnu mere forbløffende, der har noget at gøre med det berømte Higgs-kondensat. Dette kondensat er en byggesten i standardmodellen, der giver masse til partikler som kvarker og elektroner og gør universet omkring os, som vi kender det.

Vi har opdaget, at ved et højere, andet kritisk magnetfelt af styrken 260 exatesla, "smelter" den superledende form af vakuumet ned (ved nul temperatur!), og går over i endnu en tilstand, hvor kondensatet fra Higgs-feltet forsvinder. Denne højfeltstilstand ligner en tilstand, hvor vores univers var yngre end et første picosekund. Det teoretiske forslag om Higgs-kondensatets forsvinden i et stærkt magnetfelt daterer sig tilbage til midten af ​​1970'erne, kun for nylig at finde i vores arbejde.

Vores resultater er ikke kun en teoretisk kuriosum. Som antaget i 2021 kan sådanne stærke felter eksistere i kvanteatmosfærer over begivenhedshorisonten for eksotiske, stærkt magnetiserede sorte huller. Derfor kunne vakuumets mærkelige superledende-superfluid-fast-flydende tilstand have optrådt under udviklingen af ​​vores univers eller endda eksistere lige i dette øjeblik.

Imidlertid er det en anden – nu astrofysisk – historie.

Denne historie er en del af Science X Dialog, hvor forskere kan rapportere resultater fra deres publicerede forskningsartikler. Besøg denne side for at få oplysninger om ScienceX Dialog og hvordan du deltager.

Flere oplysninger: M. N. Chernodub et al., Phase Structure of Electroweak Vacuum in a Strong Magnetic Field:The Lattice Results, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.111802

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Maxim Chernodub er Directeur de Recherche CNRS (en senior videnskabsmand) ved Institut Denis Poisson, Tours, Frankrig, leder af Field Theory-gruppen. Chernodubs forskningsinteresser omfatter kvantefeltteori, kondenseret stoffysik og tyngdekraft.