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Le graphène bicouche inspire le modèle cosmologique à deux univers

Le graphène bicouche inspire le modèle cosmologique à deux univers

Une feuille de graphène incurvée et étirée posée sur une autre feuille incurvée crée un nouveau motif qui a un impact sur la façon dont l’électricité se déplace à travers les feuilles. Un nouveau modèle suggère qu’une physique similaire pourrait émerger si deux univers adjacents sont capables d’interagir. Crédit : Alireza Parhizkar, JQI

Les physiciens proposent parfois des histoires folles qui ressemblent à de la science-fiction. Certaines s’avèrent vraies, comme la façon dont la courbure de l’espace et du temps décrite par Einstein a finalement été confirmée par des mesures astronomiques. D’autres s’attardent comme de simples possibilités ou curiosités mathématiques.

Dans un nouvel article de Recherche d’examen physique, le boursier JQI Victor Galitski et l’étudiant diplômé JQI Alireza Parhizkar ont exploré la possibilité imaginative que notre réalité ne soit que la moitié d’une paire de mondes en interaction. les leurs modèle mathématique peut fournir une nouvelle perspective pour examiner les caractéristiques fondamentales de la réalité, y compris pourquoi notre univers se dilate comme il le fait et comment cela se rapporte aux longueurs les plus minuscules autorisées par la mécanique quantique. Ces sujets sont cruciaux pour comprendre notre univers et font partie d’un des grands mystères de la modernité la physique.

Les deux scientifiques sont tombés sur cette nouvelle perspective lorsqu’ils se sont penchés sur la recherche sur des feuilles de graphène – des couches atomiques uniques de carbone dans une répétition motif hexagonal. Ils ont réalisé que les expériences sur les propriétés électriques de feuilles de graphène empilées produisaient des résultats qui ressemblaient à de petits univers et que le phénomène sous-jacent pouvait se généraliser à d’autres domaines de la physique. Dans les piles de graphène, de nouveaux comportements électriques découlent des interactions entre les feuilles individuelles, alors peut-être qu’une physique unique pourrait émerger de la même manière de couches en interaction ailleurs, peut-être dans les théories cosmologiques sur l’univers entier.

“Nous pensons que c’est une idée passionnante et ambitieuse”, déclare Galitski, qui est également professeur titulaire de la chaire Chesapeake de physique théorique au Département de physique. “Dans un sens, il est presque suspect que cela fonctionne si bien en “prédisant” naturellement les caractéristiques fondamentales de notre univers telles que l’inflation et la particule de Higgs, comme nous l’avons décrit dans une prépublication de suivi.”

Le graphène empilé est exceptionnel propriétés électriques et la connexion possible à notre réalité ayant un jumeau provient de la physique spéciale produite par des motifs appelés motifs de moiré. Les motifs de moiré se forment lorsque deux motifs répétitifs – allant des hexagones d’atomes dans les feuilles de graphène aux grilles des écrans de fenêtre – se chevauchent et l’une des couches est tordue, décalée ou étirée.

Les modèles qui émergent peuvent se répéter sur des longueurs qui sont vastes par rapport aux modèles sous-jacents. Dans les empilements de graphène, les nouveaux modèles modifient la physique qui se joue dans les feuilles, notamment les comportements des électrons. Dans le cas particulier appelé “graphène à angle magique”, le motif moiré se répète sur une longueur environ 52 fois plus longue que la longueur du motif des feuilles individuelles, et le niveau d’énergie qui régit les comportements des électrons chute précipitamment, permettant de nouveaux comportements , y compris la supraconductivité.

Galitski et Parhizkar ont réalisé que la physique de deux feuilles de graphène pouvait être réinterprétée comme la physique de deux univers bidimensionnels où les électrons sautent occasionnellement entre les univers. Cela a inspiré la paire à généraliser les mathématiques à appliquer à des univers constitués de n’importe quel nombre de dimensions, y compris notre propre univers à quatre dimensions, et à explorer si un phénomène similaire résultant de motifs de moiré pourrait apparaître dans d’autres domaines de la physique. Cela a commencé une ligne de recherche qui les a amenés face à face avec l’un des problèmes majeurs de la cosmologie.

“Nous avons discuté de la possibilité d’observer la physique du moiré lorsque deux univers réels fusionnent en un seul”, explique Parhizkar. “Que voulez-vous rechercher lorsque vous posez cette question ? Vous devez d’abord connaître l’échelle de longueur de chaque univers.”

Une échelle de longueur (ou une échelle d’une valeur physique en général) décrit le niveau de précision pertinent pour tout ce que vous regardez. Si vous évaluez la taille d’un atome, alors un dix-milliardième de mètre compte, mais cela l’échelle est inutile si vous mesurez un terrain de football car il est à une échelle différente. Les théories de la physique imposent des limites fondamentales à certaines des échelles les plus petites et les plus grandes qui ont un sens dans nos équations.

L’échelle de l’univers qui concernait Galitski et Parhizkar s’appelle la longueur de Planck et définit la plus petite longueur compatible avec la physique quantique. La longueur de Planck est directement liée à une constante – appelée constante cosmologique – qui est incluse dans les équations de champ d’Einstein de la relativité générale. Dans les équations, la constante influence si l’univers – en dehors des influences gravitationnelles – a tendance à se dilater ou à se contracter.

Cette constante est fondamentale pour notre univers. Donc, pour déterminer sa valeur, les scientifiques, en théorie, ont juste besoin de regarder l’univers, de mesurer plusieurs détails, comme la vitesse à laquelle les galaxies s’éloignent les unes des autres, de tout brancher sur les équations et de calculer quelle doit être la constante.

Ce plan simple rencontre un problème parce que notre univers contient à la fois des éléments relativistes et effets quantiques. L’effet des fluctuations quantiques à travers le vaste vide de l’espace devrait influencer les comportements même à des échelles cosmologiques. Mais lorsque les scientifiques tentent de combiner la compréhension relativiste de l’univers que nous a donnée Einstein avec les théories sur le vide quantique, ils se heurtent à des problèmes.

L’un de ces problèmes est que chaque fois que les chercheurs tentent d’utiliser des observations pour approximer la constante cosmologique, la valeur qu’ils calculent est beaucoup plus petite que ce à quoi ils s’attendraient sur la base d’autres parties de la théorie. Plus important encore, la valeur varie considérablement en fonction de la quantité de détails qu’ils incluent dans l’approximation au lieu de se concentrer sur une valeur cohérente. Ce défi persistant est connu sous le nom de problème cosmologique constant, ou parfois de « catastrophe du vide ».

“Il s’agit de la plus grande – et de loin la plus grande – incohérence entre la mesure et ce que nous pouvons prédire par la théorie”, déclare Parhizkar. “Cela signifie que quelque chose ne va pas.”

Étant donné que les motifs de moiré peuvent produire des différences dramatiques dans les échelles, les effets de moiré semblaient être une lentille naturelle pour voir le problème à travers. Galitski et Parhizkar ont créé un modèle mathématique (qu’ils appellent gravité moirée) en prenant deux copies de la théorie d’Einstein sur la façon dont l’univers change avec le temps et en introduisant des termes supplémentaires dans les mathématiques qui permettent aux deux copies d’interagir. Au lieu de regarder les échelles d’énergie et de longueur dans le graphène, ils regardaient les constantes cosmologiques et les longueurs dans les univers.

Galitski dit que cette idée est née spontanément alors qu’ils travaillaient sur un projet apparemment sans rapport, financé par la Fondation John Templeton et axé sur l’étude des flux hydrodynamiques dans le graphène et d’autres matériaux pour simuler des phénomènes astrophysiques.

En jouant avec leur modèle, ils ont montré que deux mondes en interaction avec de grandes constantes cosmologiques pouvaient annuler le comportement attendu des constantes cosmologiques individuelles. Les interactions produisent des comportements régis par une constante cosmologique effective partagée qui est beaucoup plus petite que les constantes individuelles. Le calcul de la constante cosmologique effective contourne le problème que rencontrent les chercheurs avec la valeur de leurs approximations qui saute parce qu’avec le temps, les influences des deux univers dans le modèle s’annulent.

“Nous ne prétendons pas – jamais – que cela résout un problème cosmologique constant”, déclare Parhizkar. “C’est une affirmation très arrogante, pour être honnête. C’est juste une bonne idée que si vous avez deux univers avec d’énormes constantes cosmologiques – comme 120 ordres de grandeur plus grandes que ce que nous observons – et si vous les combinez, il y a encore une chance que vous pouvez en tirer une très petite constante cosmologique effective.”

Dans des travaux de suivi préliminaires, Galitski et Parhizkar ont commencé à s’appuyer sur cette nouvelle perspective en se plongeant dans un modèle plus détaillé d’une paire de mondes en interaction, qu’ils appellent “bi-mondes”. Chacun de ces mondes est un monde complet en soi selon nos normes normales, et chacun est rempli d’ensembles correspondants de toute la matière et de tous les champs. Puisque les mathématiques le permettaient, ils ont également inclus des champs qui vivaient simultanément dans les deux mondes, qu’ils ont surnommés “champs amphibiens”.

Le nouveau modèle a produit des résultats supplémentaires que les chercheurs trouvent intrigants. En faisant les calculs, ils ont découvert qu’une partie du modèle ressemblait à des champs importants faisant partie de la réalité. Le modèle plus détaillé suggère toujours que deux mondes pourraient expliquer une petite constante cosmologique et fournit des détails sur la façon dont un tel bi-monde pourrait imprimer une signature distincte sur le rayonnement de fond cosmique – la lumière qui persiste depuis les temps les plus reculés du monde. univers.

Cette signature pourrait éventuellement être vue – ou certainement pas être vue – dans les mesures du monde réel. Ainsi, de futures expériences pourraient déterminer si cette perspective unique inspirée du graphène mérite plus d’attention ou s’il s’agit simplement d’une nouveauté intéressante dans le bac à jouets des physiciens.

“Nous n’avons pas exploré tous les effets – c’est une chose difficile à faire, mais la théorie est falsifiable expérimentalement, ce qui est une bonne chose”, déclare Parhizkar. “Si ce n’est pas falsifié, alors c’est très intéressant parce que ça résout le constante cosmologique problème tout en décrivant de nombreuses autres parties importantes de la physique. Personnellement, je n’ai pas d’espoir pour ça – je pense que c’est en fait trop gros pour être vrai.”


Centenaire de la constante lambda cosmologique


Information:
Alireza Parhizkar et al, graphène bicouche tendu, échelles d’énergie émergente et gravité moirée, Recherche d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevResearch.4.L022027

Alireza Parhizkar, Victor Galitski, Moiré Gravity and Cosmology. arXiv:2204.06574v1 [hep-th], arxiv.org/abs/2204.06574

citations: Le graphène bicouche inspire le modèle cosmologique à deux univers (6 mai 2022) récupéré le 7 mai 2022 sur https://phys.org/news/2022-05-bilayer-graphene-two-universe-cosmological.html

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