Le graphène à deux couches inspire le modèle cosmologique à deux univers

Le graphène à deux couches 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 affecte la façon dont l’électricité se déplace entre les feuilles. Un nouveau modèle suggère qu’une physique similaire pourrait émerger si deux univers adjacents pouvaient interagir. Crédit : Alireza Parhizkar, JQI

Les physiciens inventent parfois des histoires folles qui ressemblent à de la science-fiction. Certaines se sont avérées correctes, comme la courbure de l’espace et du temps décrite par Einstein, finalement confirmée par des mesures astronomiques. D’autres ne font que s’attarder sous forme de probabilités ou de curiosités mathématiques.


dans un nouveau journal Recherche sur l’examen physique, le boursier JQI Victor Galitski et l’étudiant diplômé JQI Alireza Parhizkar ont exploré la possibilité imaginaire que notre réalité ne soit que la moitié d’une paire de mondes en interaction. Ils modèle mathématique Cela pourrait fournir une nouvelle perspective pour examiner les propriétés fondamentales de la réalité, y compris pourquoi notre univers s’étend comme il le fait et comment cela se rapporte aux plus petites longueurs autorisées en mécanique quantique. Ces questions sont cruciales pour comprendre notre univers et font partie d’un des grands mystères de l’ère moderne. la physique.

Le couple de scientifiques est tombé sur cette nouvelle perspective en examinant la recherche sur les feuilles de graphène, qui sont à plusieurs reprises des couches de carbone à un seul atome. 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 être généralisé à d’autres domaines de la physique. Dans les empilements de graphène, de nouveaux comportements électriques émergent des interactions entre les couches individuelles, alors peut-être qu’une physique unique pourrait résulter de couches en interaction ailleurs de la même manière – peut-être dans les théories cosmologiques sur l’univers entier.

“Nous pensons que c’est une idée passionnante et ambitieuse”, déclare Galitski, qui est titulaire de la chaire Chesapeake de physique théorique au Département de physique. “D’une certaine manière, il est presque douteux que cela fonctionne aussi bien en “prédisant” naturellement les propriétés fondamentales de notre univers comme l’inflation et la particule de Higgs.”

Graphène empilé exceptionnel propriétés électriques et le lien possible avec le fait que nous ayons un jumeau provient de la physique spéciale produite par des motifs appelés motifs moirés. Les motifs moirés se forment lorsque deux motifs répétitifs (des hexagones d’atomes dans les feuilles de graphène aux grilles des moustiquaires) se chevauchent et l’une des couches est pliée, décalée ou étirée.

Les motifs résultants peuvent se répéter sur des longueurs énormes par rapport aux motifs sous-jacents. Dans les empilements de graphène, de nouveaux modèles modifient la physique qui émerge dans les feuilles, en particulier le comportement des électrons. Dans le cas particulier, appelé “graphène à angle magique”, le motif moiré se répète sur une longueur d’environ 52 fois la longueur du motif des couches individuelles, et le niveau d’énergie qui régit le comportement des électrons chute rapidement, permettant de nouveaux comportements. incluant 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, dans lesquels les électrons rebondissent parfois entre les univers. Cela nous a inspirés à généraliser les mathématiques doubles pour les appliquer à des univers de n’importe quel nombre de dimensions, y compris notre propre univers à quatre dimensions, et à explorer si des phénomènes similaires résultant de modèles de moiré pourraient se produire dans d’autres domaines de la physique. Cela a lancé une ligne de recherche qui les a confrontés à l’un des plus grands problèmes de la cosmologie.

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

Une échelle de longueur – ou une échelle physique de valeur en général – définit le niveau de précision pertinent par rapport à ce que vous regardez. Les dix milliardièmes de mètre comptent si vous estimez la taille d’un atome, mais si vous mesurez un terrain de football, cette échelle ne fonctionnera pas car elle 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 intéresse 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 dans les équations de champ d’Einstein de la relativité générale, appelée la constante cosmologique. Dans les équations, la constante affecte si l’univers – en dehors des effets de la gravité – a tendance à se dilater ou à se contracter.

Cette constante est le fondement de notre univers. Donc, pour déterminer sa valeur, les scientifiques doivent en théorie simplement regarder l’univers, mesurer quelques détails comme la vitesse à laquelle les galaxies s’éloignent les unes des autres, mettre tout dans les équations et calculer quelle devrait être la constante.

Ce schéma simple pose problème car notre univers est à la fois relatif et effets quantiques. L’effet des fluctuations quantiques sur le vaste vide de l’espace devrait affecter le comportement 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 lorsque les chercheurs essaient d’utiliser des observations pour approximer la constante cosmologique, la valeur qu’ils calculent est beaucoup plus petite que ce à quoi ils s’attendaient sur la base d’autres parties de la théorie. Plus important encore, au lieu de se concentrer sur une valeur cohérente, la valeur saute de manière significative en fonction de la quantité de détails qu’ils incluent dans l’estimation. Ce défi persistant est connu sous le nom de problème cosmologique constant, ou parfois de « catastrophe du vide ».

“C’est de loin le plus grand écart entre la mesure et ce que nous pouvons prédire en théorie”, déclare Parhizkar. “Cela signifie que quelque chose ne va pas.”

Étant donné que les motifs de moiré peuvent produire des différences d’échelle spectaculaires, les effets de moiré semblaient être une lentille naturelle pour visualiser le problème. 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 l’idée est née spontanément alors qu’il travaillait sur un projet apparemment sans rapport financé par la Fondation John Templeton qui se concentrait sur l’étude des flux hydrodynamiques dans le graphène et d’autres matériaux pour simuler des phénomènes astrophysiques.

En jouant avec leurs modèles, ils ont montré que deux mondes en interaction avec de grandes constantes cosmologiques peuvent annuler le comportement attendu des constantes cosmologiques individuelles. Les interactions produisent des comportements régis par une constante cosmologique active partagée qui est beaucoup plus petite que les constantes individuelles. Le calcul de la constante cosmologique effective évite aux chercheurs les problèmes d’approximations qui rebondissent car, au fil du temps, les effets des deux univers du modèle s’annulent.

“Nous ne prétendons pas – jamais – que cela résout le problème de la constante cosmologique”, déclare Parhizkar. “Pour être honnête, c’est une affirmation très flagrante. C’est une bonne idée que si vous avez deux univers avec de grandes constantes cosmologiques – 120 ordres de grandeur plus grandes que ce que nous avons observé – et que vous les combinez, il y a encore une chance que vous obteniez un très petite constante cosmologique efficace d’eux. que vous pouvez.

Dans l’étude préliminaire, Galitski et Parhizkar ont commencé à développer cette nouvelle perspective en plongeant dans un modèle plus détaillé d’une paire de mondes en interaction – ce qu’ils appellent les “deux mondes”. Chacun de ces mondes est un monde complet à part entière selon nos normes normales, et chacun est rempli d’ensembles correspondants de toutes les matières et de tous les domaines. Ils incluaient ce qu’ils appelaient des “domaines amphibiens”, comme le permettaient les mathématiques, des domaines habitant les deux mondes simultanément.

Le nouveau modèle a produit des résultats supplémentaires que les chercheurs ont trouvés intrigants. En reconstituant les calculs, ils ont découvert qu’une partie du modèle ressemblait à des domaines clés faisant partie de la réalité. Le modèle plus détaillé suggère toujours que les deux mondes pourraient expliquer une constante cosmologique mineure et fournit des détails sur la façon dont un tel deux mondes pourrait donner une signature distinctive au rayonnement de fond cosmique – la lumière qui a persisté depuis les premiers temps de la Terre. Univers.

Cette signature peut ou non être visible 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 coffre à jouets des physiciens.

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


Constante lambda cosmologique centenaire


Plus d’information:
Alireza Parhizkar et al., Graphène double couche étiré, échelles d’énergie émergentes et gravité moirée, Recherche sur l’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

Note: Le graphène à double couche inspire le modèle cosmologique à deux univers (6 mai 2022), extrait le 6 mai 2022 de https://phys.org/news/2022-05-bilayer-graphene-two-universe-cosmological.html .

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