Svet sa skladá z elementárnych častíc – kvarkov a leptónov. Tie sa spájajú do väčších častíc, ako sú protóny, neutróny alebo atómy. Existujú však aj ďalšie objekty, ktoré sa svojím správaním časticiam podobajú, aj keď nemajú časticový základ alebo štatút elementárnej častice.
Najjednoduchším príkladom sú elektrónové diery v polovodičoch a iných látkach. Medzi elektrónmi v mriežke jeden chýba a jeho miesto je voľné. Keď v takej konfigurácii všetky záporne nabité elektróny spravia krok tým istým smerom, na celú situáciu sa dá pozerať ako na pohyb kladne nabitej častice v opačnom smere. Podobným situáciám sa bežne hovorí kvázičastica – čosi, čo sa správa ako častica, ale z materiálneho pohľadu individuálnou časticou nie je. Poďme sa však pozrieť na ešte komplikovanejšie objekty, ktoré sa na častice podobajú.
Šíriaci sa vzruch
Všetci máme skúsenosť s vlnami na vodnej hladine. Voda sa skladá z mikroskopických molekúl, ktorých je aj v obyčajnom pohári nepredstaviteľne veľa. Keď sa však tieto častice vhodne zohrajú, vedia vytvoriť jeden makroskopický objekt, ktorý nesie energiu a hybnosť. Napriek tomu, že jednotlivé molekuly vody sa spolu s ním nehýbu, iba sa posúvajú hore-dole a doprava-doľava. To sa môže zdať trochu proti intuícii, ale je to tak – pri vlne sa všetky elementy vody vrátia späť na svoje miesto.
To, že na vlnu sa môžeme pozerať ako na špecifický druh častíc, je teda dôsledkom koordinovaného pohybu veľkého množstva základných čiastočiek. Keď však tento pohyb ustane, vlna sa stratí a kvázičastica zanikne.
Podobne ako vo vode môžu vlny vzniknúť aj v iných materiáloch. Ak sa častice v médiu posunú zo svojej rovnovážnej polohy a vychýlia tým vedľajšie častice, v materiáli sa šíri vzruch, aj keď sa všetko vráti do pôvodnej polohy. Možno v takomto pohybe spoznávate šírenie zvuku – na zvukové vlny sa tiež dá pozerať ako na častice. Za bežných okolností to je skôr kuriozita, ale pri popise niektorých vlastností látok ide o veľmi užitočný nástroj. A pri nízkych teplotách, keď je nutné brať do úvahy kvantové vlastnosti častíc, priam nevyhnutný. Kvantám mechanických vzruchov sa hovorí fonóny.
Neštandardné vlastnosti
To však zďaleka nie je všetko a príroda si pre nás pripravila ešte kurióznejšie situácie. Keď zoberiete veľmi tenký kus vodivého materiálu, voľné elektróny v ňom sa pohybujú iba v dvoch rozmeroch. Ak takýto materiál vložíte do dostatočne silného magnetického poľa a ochladíte ho na veľmi nízku teplotu, elektróny začnú robiť v elektrickom poli čosi veľmi špeciálne. Ich kolektívny organizovaný pohyb sa správa ako kvázičastica, ktorá má neceločíslený náboj, napríklad polovičný či tretinový ako náboj elektrónu. Nič také nemôže existovať ako elementárna častica, ale ako takáto kolektívna excitácia sa to objaviť môže. A dáva vznik dobre preštudovanému javu s názvom zlomkový kvantový Hallov efekt.
A na záver úplne najexotickejší príklad – častice, ktorým hovoríme skyrmióny. Tie vznikajú v magnetických materiáloch, kde v mriežke sedia častice, ktoré majú magnetický moment a dá sa na ne pozerať ako na miniatúrne magnetky. Samotné častice sa nepohybujú, no ich magnetické momenty sa vhodným spôsobom natočia. A tieto konfigurácie natočenia magnetických momentov sa správajú ako spomínané kvázičastice. Skyrmióny boli pozorované aj laboratórne a sú jedným z kandidátov na princíp fungovania budúcich kvantových počítačov.
Elementárne zložky hmoty vedia dať svojím správaním vznik podivuhodným objektom so zvláštnymi vlastnosťami. Objektom, ktoré dokážeme pozorovať v laboratóriu a raz možno budeme aj prakticky používať.
Juraj Tekel
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.
