Kvantová simulace kvazičástic. Kredit: Verreson et al. (2019).

Nic netrvá věčně. Živé bytosti, planety, hvězdy a možná i celý vesmír mají jenom omezenou životnost. Jenomže, jak je známo, ve kvantovém světě si z pravidel nic moc nedělají. Podle nového výzkumu mohou být kvazičástice ve kvantových systémech de facto nesmrtelné. Tvrdí to tým fyziků, které vedl Ruben Verresen z německé Technische Universität München (TUM) a Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme.

Hned k tomu dodávají, že to neznamená, že by se kvazičástice ve kvantových systémech nerozpadaly. Vtip je v tom, že když se takové kvazičástice rozpadnou, tak jsou schopné se samovolně obnovit. Podle Verresena a spol. možná až do nekonečna. Na první pohled to vypadá jako zločin proti druhému termodynamickému zákonu, který nás ujišťuje, že se chaos vždycky jenom zvětšuje a nikdy se sám nezmenší.

Ruben Verresen.

Kredit: TUM.

Kvantoví fyzici sice o kvantové říši nejspíš nemají žádné iluze, tohle ale prý nečekali. Doposud předpokládali, že se kvazičástice ve kvantových systémech po nějakém čase samovolně rozpadnou. Jako mořské vlny na pláži. Teď je jasné, že za určitých okolností mohou interakce spojené se silnou fyzikální silou dokonce úplně stopnout rozpad kvazičástic.

Kvazičástice, jak jejich jméno napovídá, nejsou tak úplně normální částice, jako třeba fotony, elektrony nebo kvarky. Jsou to vlastně jevy v pevných látkách, které jsou poháněné elektrickými nebo třeba magnetickými silami, a které se souhrnně projevují, jako kdyby to byly částice. Mohou to být například fonony, což jsou vlastně kvanta vibrační energie atomů v krystalické mřížce anebo třeba polarony, tvořené vázaným stavem elektronu či díry a oblakem fononů.

Kvazičástice fonon „protéká“ atomy v krystalové mřížce. Kredit: FlorianMarquardt / Wikimedia Commons.

Verresen a spol. spouštěli výpočetně náročné simulace chování kvazičástic a sledovali, jak probíhá jejich rozpad. Ukázalo se, že se kvazičástice rozpadají, vzápětí ale z jejich rozpadu povstanou nové kvazičástice, které jsou úplně stejné, jako ty původní. Podle badatelů to takhle může oscilovat donekonečna, mezi rozpadem a zrozením kvazičástic.

A jak je to s tou nešťastnou entropií? Bylo by samozřejmě cool položit druhý termodynamický zákon na lopatky. Verresen ale přiznává, že nekonečné oscilace kvazičástic ve skutečnosti tento skálopevný zákon neporušují. Jde vlastně o přeměnu vln na hmotu, která se pohodlně vejde do kvantově mechanického konceptu duality částic a vlnění. V důsledku toho entropie systému neklesá, ale zůstává konstantní. Jak říkají komentátoři, je to proklatě divné, ale nikoliv protizákonné.

Zároveň je nesmírně zajímavé, že objev faktické nesmrtelnosti kvazičástic řeší celou řadu fyzikálních podivností. Například jistá magnetická látka (triangular-lattice antiferromagnetic compound Ba3CoSb2O9) zaskočila fyziky tím, že byla nečekaně stabilní. Teď se zdá, že by klíčem k její stabilitě mohly být magnetické kvazičástice zvané magnony. Simulace ukazují, že jsou věčné, jak předpovídá Verresen a spol. Dalším příkladem je helium. Tenhle podivuhodný plyn se při teplotě blízko absolutní nuly stává supratekutinou, což by mohlo souviset s tím, že helium je plné kvazičástic rotonů.

Zatím to jsou všechno jenom teoretické hrátky. Verresen a jeho spolupracovníci ale věří, že bychom mohli nesmrtelnosti kvazičástic důmyslně využít, například při dlouhodobém uchovávání dat v budoucích kvantových výpočetních systémech.

Video:  How To Discover Weird New Particles | Emergent Quantum Quasiparticles


Literatura
Science Alert 17. 6. 2019, Nature Physics online 27. 5. 2019.