Темпоральный кристалл как физическая гипотеза

Физики создали первый в мире «кристалл времени»

Темпоральный кристалл как физическая гипотеза

Крис Монро работал с ионной ловушкой схожей конструкции (источник: Hartmut Häffner)

В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Франк Вилчек предложил необычную идею.

Он предположил (и попытался доказать) возможность существования «кристаллов времени». Такие структуры, по словам физика, получают энергию для своего движения из разлома в симметрии времени.

Разлом, по словам Вилчека, является некой особой формой вечного движения.

Кристаллы сами по себе очень необычные структуры. Например, кристаллам (тем из них, кристаллическая решетка которых не обладает высшей — кубической — симметрией), присуще свойство анизотропии. Анизотропия кристаллов — это разнородность их физических свойств (упругих, механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических и других) по различным направлениям. Современных физиков интересует не только анизотропия кристаллов, но и их симметрия. Что касается симметрии, то она проявляется не только в их структуре и свойствах в реальном трёхмерном пространстве, но также и при описании энергетического спектра электронов кристалла, анализе процессов дифракции рентгеновских лучей, дифракции нейтронов и дифракции электронов в кристаллах с использованием обратного пространства и т. п. Что касается «кристаллов времени», то здесь ученые предположили, что кристаллы симметричны во времени.

Вилчек говорил об этом возможном явлении еще в 2010 году: «Я постоянно думал о классификации кристаллов, а затем я подумал, что ведь можно представить и пространство-времени с этой точки зрения.

То есть, если мы думаем о кристаллах в пространстве, логично будет представить кристаллические структуры во времени». В кристаллах атомы занимают стабильную позицию в решетке.

А поскольку стабильные объекты остаются неизменными во времени, то существует возможность того, что атомы могут образовывать постоянно повторяющуюся решетку во времени. В исходное положение они возвращаются через дискретный интервал, нарушая временную симметрию.

Если кристалл не потребляет и не производит энергию, то такие временные кристаллы являются стабильными, находясь в «основном состоянии». При этом в структуре кристалла происходят циклические изменения, что, с точки зрения физики можно считать вечным движением.

У многих физиков возникали сомнения в справедливости гипотезы возможности существования временных кристаллов. Но те ученые, кто принял ее, стали искать способы проверить справедливость предположения Вилчека. И нашли.

Крис Монро [Chris Monroe] из Мэрилендского университета в Колледж-Парке впервые смог создать временной кристалл в своей лаборатории. Его идея состояла в том, чтобы создать квантовую систему в виде группы ионов, расположенных кольцом.

При охлаждении кольца, как утверждал Монро (а до него и другие ученые), энергетическое состояние всей системы понизится до минимального уровня. Другими словами, в таких условиях система переходит в фазу «основного состояния». Если временная симметрия нарушена, то кольцо должно меняться во времени. Другими словами, вращаться.

Конечно, извлечь энергию этого движения нельзя, поскольку это противоречит закону сохранения энергии.

Все это — теория. На практике реализовать эту задумку сложнее. О намерении создать кольцо из ионов и проверить справедливость гипотезы временных кристаллов несколько лет назад сообщали ученые из Беркли. Они планировали вводить сотни ионов кальция в камеру небольшого размера. Эту камеру нужно окружить электродами и включить ток. Образующееся электрическое поле позволяет загнать ионы в камеру толщиной примерно в 100 микронов. После чего необходимо «откалибровать» частицы для выравнивания поля. Ионы, отталкиваясь друг от друга, сформировали бы кристаллическое кольцо, распределившись равномерно по внешнему краю камеры. Предполагается, что ионы в такой ловушке будут находиться в возбужденном состоянии, но при помощи лазера их кинетическую энергию будут постепенно урезать. По плану, температуру системы необходимо довести до 1 миллиардной градуса выше нуля. После того, как система достигает основного состояния, ученые планировали включить статическое магнитное поле. Это поле, если гипотеза временных кристаллов верна, должно было заставить ионы вращаться. После возвращения ионов к исходной точке в пределах определенного временного периода ученые зафиксировали бы нарушение временной симметрии.

Монро пошел схожим путем, только для создания кольца он использовал не ионы калия, а ионы иттербия. Сложностью в реализации идеи является то, что предсказать существование частицы в определенное время в определенном месте не представляется возможным. Правда, благодаря андерсоновской локализации появляется исключение в этом правиле, которое можно использовать.

Андерсоновская локализация — явление, возникающее при распространении волн в среде с пространственными неоднородностями и состоящее в том, что вследствие многократного рассеяния на неоднородностях и интерференции рассеянных волн становится невозможным распространение бегущих волн; колебания приобретают характер стоячей волны, сконцентрированной (локализованной) в ограниченной области пространства.

Относительно недавно физики изучили группы квантовых частиц, взаимодействующих друг с другом таким образом, что это взаимодействие вынуждает их локализоваться. Монро смог использовать результаты этого исследования для того, чтобы заставить ионы иттербия занять определенные места в определенное время. В результате был создан временной кристалл, и команда Монро, таким образом, доказала возможность нарушения временной симметрии. При изучении свойств временного кристалла оказалось, что значительное изменение частоты возбуждения ионов заставляет кристалл «плавиться». По мнению ученых, создание временного кристалла открывает широкие возможности для квантовых вычислений. Например, на основе временных кристаллов можно создать надежную квантовую память. Правда, работа Монро и коллег еще требует проверки. Другие команды физиков планируют проверить природу эффекта временных кристаллов, повторив эксперимент. Если это удастся, то гипотеза Франка Вилчека станет теорией, и квантовая физика получит стимул для дальнейшего развития.

arXiv:1609.08684

  • временной кристалл
  • кристалл времени
  • крис монро
  • физика

Источник: https://habr.com/post/398169/

Рябь времени, или Когда физика лучше фантастики • Библиотека

Темпоральный кристалл как физическая гипотеза

Темпоральные, или временные, кристаллы — новая идея в физике, широко обсуждаемая в последние годы. Они представляют собой физические системы, «сами по себе» повторяющиеся во времени. Несмотря на экзотичность концепции, исследователи уже прикидывают возможные области применения идеи и ищут наиболее удачные «рецепты» приготовления «кристаллического времени».

Красота законов природы идёт рука об руку с симметрией. Строго говоря, симметрия в физике подразумевает то, что некоторое свойство остаётся неизменным при определённой трансформации: это может быть поворот или сдвиг в пространстве, зеркальное отражение.

Проще говоря, как ни крути объект или Вселенную, законы физики не меняются. Симметрия может быть непрерывной и дискретной. Например, однородный шар можно поворачивать на любой угол — ничего не изменится. А вот куб «повторяет себя» только при повороте на определённый угол.

Это примеры непрерывной и дискретной вращательной симметрии.

Интересная физика начинается там, где изменяется, а точнее, ломается симметрия. Скажем, кристалл менее симметричен, чем однородная жидкость, состоящая из тех же самых атомов, так что его можно рассматривать как нарушение пространственной симметрии.

Атомы в нём находятся в узлах так называемой кристаллической решётки с чётко определёнными расстояниями и углами.

Чтобы при движении в пространстве получить тот же самый кристалл, его нужно сдвинуть на чётко определённое расстояние (так называемую постоянную решётки — размер элементарной ячейки, повторением которой можно воспроизвести весь кристалл) или повернуть на соответствующий угол.

Конкретные характеристики кристаллов напрямую зависят от того, как именно была нарушена симметрия: количество электронов на внешней оболочке атомов, магнитные моменты, температура — всё это влияет на взаимодействия между атомами и в конечном счёте определяет свойства материала.

Физики давно изучают кристаллы и даже научились создавать похожие системы с помощью лазеров или микроволн, где роль узлов решётки могут играть не только атомы и электроны, но и фотоны или квазичастицы, например фононы. Симметрию среды нарушают также намагниченность и протекание электрического тока.

А вот дискретное нарушение временной, или темпоральной, симметрии (непрерывное течение времени только вперёд) — это пока что неизученная территория.

Франк Вильчек, лауреат Нобелевской премии 2004 года, полученной за описание особенностей взаимодействия между кварками и глюонами, в 2012 году начал размышлять о том, почему временная симметрия никогда не нарушается спонтанно (то есть за счёт случайных взаимодействий между элементами системы) и реально ли создать условия, в которых это было бы возможным. В результате он придумал темпоральные кристаллы как способ нарушения временной симметрии.

Темпоральные кристаллы — это гипотетические структуры, которые пульсируют без затрат энергии, как механические часы, не требующие завода.

Последовательность повторяется во времени, как атомы кристалла повторяются в пространстве.

На первый взгляд темпоральный кристалл скорее напоминает о Мире Великого Кристалла фантаста Владислава Крапивина, чем о строгой физике, но у такой структуры могут быть веские физические основания для существования.

Одна из возможных реализаций темпорального кристалла представляет собой кольцо атомов, которое должно вращаться, регулярно возвращаясь в своё первоначальное состояние. Его свойства были бы вечно синхронизированы во времени, аналогично тому как взаимосвязано положение атомов в кристалле.

По определению темпорального кристалла такая система должна находиться в состоянии с наименьшей энергией, чтобы движение не требовало поступления энергии извне.

В некотором смысле темпоральный кристалл был бы вечным двигателем, за исключением того, что он не производил бы никакой полезной работы.

Научное сообщество в своём большинстве посчитало идею провокационной.

Тем не менее Франк Вильчек стоял на своём, уверенный в том, что проблема хитрее, чем кажется на первый взгляд, и темпоральные кристаллы представляют собой новый тип упорядоченности.

Более того, вечное движение имеет прецеденты в квантовом мире: теоретически сверхпроводники проводят электрический ток вечно (хотя поток в данном случае однороден и соответственно не изменяется во времени).

Парадокс темпорального кристалла заинтересовал Харуки Ватанабе, аспиранта Калифорнийского университета в Беркли. Когда он представлял свою работу о нарушении симметрии в пространстве, ему задали вопрос о следствиях идеи Вильчека о темпоральном кристалле.

Ватанабе ответить не смог и решил разобраться в этом вопросе, сосредоточившись на корреляциях между удалёнными частями системы во времени и в пространстве. В 2015 году вместе с физиком Масаки Ошикава из университета Токио Ватанабе доказал теорему, согласно которой создание темпорального кристалла в состоянии с наименьшей энергией невозможно.

Они также доказали, что темпоральные кристаллы невозможны для любой равновесной системы, достигшей устойчивого состояния при любом значении энергии.

На этом физическое сообщество посчитало вопрос существования темпоральных кристаллов закрытым. Тем не менее доказательство оставило лазейку. Оно не исключило возможность существования темпоральных кристаллов в системах, в которых ещё не установилось равновесие. И теоретики по всему миру начали думать о том, как можно создать альтернативные версии темпоральных кристаллов в обход теоремы.

Прорыв неожиданно пришёл из области физики, в которой исследователи совсем не думали на эту тему.

Теоретик Шиваджи Сонди и его коллеги из университета Принстона изучали поведение изолированной квантовой системы, состоящей из «супа» взаимодействующих частиц, которую регулярно «подпинывали» энергетически.

Если верить учебникам, то такая система должна нагреться и в итоге стать полностью хаотичной. Но группа Сонди показала, что при выполнении определённых условий частицы группируются вместе и образуют «узор», повторяющийся во времени.

Это исследование привлекло внимание Четана Наяка, одного из бывших студентов Вильчека. Наяк и его коллеги предположили, что странная неравновесная форма материи может быть разновидностью темпорального кристалла, хоть и не совсем такого, о котором изначально говорил Вильчек.

Разница в том, что подобная система не находится в состоянии с наименьшей энергией и ей необходима подпитка энергией извне для поддержания пульсаций. Но такой «суп» обладает своим ритмом, отличным от частоты накачки, что фактически означает нарушение временной симметрии.

Кристофер Монро из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, несмотря на скептический настрой, тем не менее попробовал создать подобный темпоральный кристалл с помощью холодных атомов.

Замысловатый «рецепт» содержит три основных ингредиента: силу, которая воздействует на систему, взаимодействие между атомами и элемент случайного беспорядка.

Эта комбинация ограничивает частицы в количестве энергии, которую они могут поглотить, позволяя им оставаться в упорядоченном состоянии.

В эксперименте цепочку из десяти ионов иттербия поочерёдно освещали двумя лазерами. Первый лазер переворачивал магнитные моменты атомов, а второй заставлял их взаимодействовать между собой случайным образом.

Это привело к колебаниям проекции магнитного момента системы с периодом в два раза больше периода лазерной подкачки спинов. Более того, даже если первый лазер сбивался с нужной частоты излучения, осцилляции в системе не изменялись.

Как обычные кристаллы сопротивляются попыткам сдвинуть атомы с их позиций в кристаллической решётке, так и темпоральный кристалл сохранил свою периодичность во времени.

Группа физиков из Гарвардского университета под руководством Михаила Лукина (который также является соучредителем Российского квантового центра) пошла другим путём и реализовала темпоральный кристалл с помощью алмаза.

Для этого был синтезирован специальный образец, содержащий порядка миллиона расположенных в беспорядке дефектов, каждый из которых обладал своим магнитным моментом.

Когда такой кристалл подвергли воздействию импульсов микроволнового излучения для перевёртывания спинов, физики зафиксировали отклик системы на частоте, которая составила лишь долю частоты возбуждающего излучения.

Физик-теоретик Норман Яо, принявший участие в обоих экспериментах, подчёркивает, что системы в состоянии с наименьшей энергией по определению не должны изменяться во времени.

В противном случае это бы значило, что у них есть лишняя энергия, которую они могут расходовать, и в конечном счёте движение должно остановиться.

Результат экспериментов Яо сравнил со скакалкой: рука делает два оборота, а верёвка — только один, и это более слабое нарушение симметрии, чем изначально задуманное Вильчеком, который считал, что верёвка может колебаться сама по себе.

Результаты обоих экспериментов опубликованы в журнале Nature и, безусловно, интересны, но определение темпорального кристалла и в том и в другом случае можно считать немного притянутым за уши.

Физики сошлись в том, что обе системы некоторым образом спонтанно нарушают временную симметрию и поэтому удовлетворяют требованиям темпорального кристалла с математической точки зрения.

Но можно ли их действительно считать таковыми — предмет научной дискуссии.

Темпоральные кристаллы получились у Монро и Лукина или нет, покажет время. В любом случае эти эксперименты интересны тем, что впервые продемонстрировали простейшие примеры новых фаз вещества в сравнительно неизученной области неравновесных состояний.

Это новое состояние вещества состоит из группы квантовых частиц, которая непрерывно меняется, никогда не достигая стабильного состояния. Стабильность достигается за счёт случайных взаимодействий, которые бы нарушали равновесие в любом другом виде материи.

Более того, эти результаты могут иметь практическое значение. Темпоральные кристаллы могут пригодиться в роли суперточных сенсоров. Поведение магнитных моментов дефектов в алмазе уже используется для регистрации малейших изменений температуры и магнитных полей.

Но такой подход имеет свои ограничения: когда слишком много дефектов «толпится» в маленьком объёме, взаимодействия между ними разрушают квантовые состояния. В темпоральном кристалле взаимодействия, наоборот, стабилизируют систему, поэтому миллионы дефектов можно использовать вместе для усиления сигнала.

Это позволит исследовать, в частности, живые клетки и материалы атомарной толщины.

Другой пример применения таких систем — квантовые вычисления при достаточно высокой температуре. Квантовые компьютеры — многообещающая и долгожданная технология, которая пока далека от практической реализации.

Дело в том, что хрупкие квантовые биты, которые производят вычисления, нужно изолировать от разрушающих квантовые состояния эффектов теплового движения и других «побочных эффектов» окружающей среды и в то же время иметь возможность кодировать и считывать с них информацию. Физики используют для этого очень низкие температуры, всего на наноградусы выше абсолютного нуля.

Темпоральный кристалл по своей сути — это квантовая система, которая существует при существенно более высоких температурах. В случае алмаза Лукина — так вообще при комнатной температуре.

В интервью «Вторая квантовая: от революции понимания к революции применения», которое можно прочитать в «Науке и жизни» № 12 за 2013 год, Михаил Лукин говорил именно о таких неожиданных практических «побочных эффектах» на первый взгляд совершенно фундаментальной науки. И возможно, именно фантастически звучащий концепт темпорального кристалла откроет дорогу к квантовым вычислениям без необходимости в сложной и дорогостоящей криогенике.

Источник: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/433603/Ryab_vremeni_ili_Kogda_fizika_luchshe_fantastiki

Темпоральный кристалл как физическая гипотеза

Темпоральный кристалл как физическая гипотеза

Определение 1

Темпоральный (временной) кристалл – это новое гипотетическое состояние материи в форме кристаллов, которые являются вечно движущимися структурами частиц, повторяющимися сами по себе во времени.

Автором концепции временного кристалла является лауреат Нобелевской премии (2004 г) Франк Вильчек.

Симметрия в физике

Некоторые ученые полагают, что красота законов природы проявляется в симметрии. Физическая симметрия имеет в виду то, что некоторые свойства остаются без изменений при определенных преобразованиях, например:

  • повороте в пространстве,
  • пространственном сдвиге,
  • отражении в зеркале и т.д.

То есть, кокой бы поворот объект не выполнил, физические законы не будут изменены.

Симметрия может быть непрерывна или дискретна. Так, при повороте однородного шара ничего не изменяется. Если совершать повороты куба, то он повторит себя в точности только на определенных углах.

Современные исследователь полагают, что интересная физика возникает тогда (и там), где происходит слом симметрии. Так, кристалл является менее симметричным, чем жидкость с постоянной плотностью, даже если они составлены из одинаковых атомов.

Следовательно, этот кристалл можно рассматривать как изменение симметрии пространства. Атомы в кристалле расположены в узлах кристаллической решетки. Расстояния между ними строго определены.

Если рассматривать перемещение кристалла в пространстве, то получить тот же самый кристалл можно сдвинув его на определенное расстояние, равное постоянной кристаллической решетки.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Характеристики кристаллов прямо связаны с тем, как нарушается симметрия:

  • число электронов во внешней оболочке атомов,
  • магнитные моменты,
  • температура

это факторы, оказывающие влияние на взаимодействие атомов и это является определяющим в свойствах вещества.

Ученые – физики длительное время исследуют кристаллы и научились аналогичные им структуры с помощью лазеров и микроволн. В этих структурах в узлах аналога кристаллической решетки способны находиться:

  • атомы,
  • электроны,
  • фотоны,
  • квазичастицы …

Симметрию среды нарушают кроме прочего намагниченность и течение тока.

Особым интересом в настоящее время пользуется идея дискретного нарушения временной (темпоральной) симметрии.

Замечание 1

Темпоральность (темпоральная протяженность объекта) – протяженность во времени. В общем случае темпоральность определяют как временной интервал, на котором можно установить исчерпывающую специфичность объекта (процесса).

Ф. Вильчек в 2012 году стал исследовать вопрос о спонтанном не нарушении симметрии времени (временная симметрия не нарушается за счет спонтанных взаимодействий частей системы). Ученый задумался над вопросом о возможности создания условий нарушения темпоральной симметрии. Он выдвинул идею о темпоральных кристаллах, как способе нарушения данного вида симметрии.

Свойства темпоральных кристаллов

Вильчек задумал временные кристаллы как объекты, которые должны пульсировать без энергетических затрат, как механические часы, которые не требуют завода. При этом последовательность должна повторяться во времени, аналогично атомам, в решетке кристалла.

Одной из гипотетических реализаций временного кристалла считают кольцо атомов. Данное кольцо должно совершать вращения, при этом оно регулярно возвращается в исходное состояние.

Свойства такого кольца стали бы синхронизированными по времени, подобно как связаны положения атомов в кристалле. Для того чтобы осуществлять движение без внешних источников энергии, такой системе следует находиться в состоянии минимума энергии.

В этом смысле темпоральный кристалл можно считать вечным двигателем, принимая во внимание, однако, что он не выполняет полезной работы.

Замечание 2

Большинство ученых сочло данную идею провокацией. Но стоит учесть, что вечное движение имеется в квантовом мире.

Исследования ближайших лет

В 2015 году Х. Ватанабе и М. Ошикава доказали теорему, которая показала невозможность создания темпорального кристалла для равновесной системы, если она достигла устойчивости при любой энергии. Ими же было показано, что временной кристалл нельзя создать в состоянии с минимальной энергией.

Заметим, что наука не исключает возможность создания темпоральных кристаллов в неравновесных системах. Физики – теоретики начали поиски альтернативных версий временных кристаллов, которые не противоречили бы теоремам Ватанабе и Ошикава.

Ш. Сонди проводили исследования поведения изолированной квантовой системы, которая состояла из совокупности разных взаимодействующих частиц. В эту систему поставляли энергию.

По прогнозам данная система должна повысить свою температуру и стать полностью хаотичной.

Но исследователи обнаружили, что при определенных условиях частички собираются в группы и составляют некоторый узор, который повторяется во времени.

Ученик Вильчека, Ч. Наяк, сделали предположение о том, что данная неравновесная система – это разновидность временного кристалла.

Отличие данной системы от темпорального кристалла Вильчека состояло в том, что это вещество не находится в состоянии с минимальной энергией и ей требуется получать энергию извне, чтобы поддерживать пульсации.

Но полученная система имеет свой ритм, который отличается от частоты накачки, и из этого можно сделать вывод о нарушении временной симметрии.

К. Монро сделал попытку создания темпорального кристалла из холодных атомов. Его рецепт имеет три основных составляющих, это:

  • сила воздействия на систему;
  • взаимодействие атомов;
  • элементы случайного беспорядка в системе.

Комбинация, предложенная ученым, должна ограничивать частицы в поглощаемой ими энергии, что дает возможность оставаться этим частица в упорядоченном состоянии.

В опытах, которые проводились, два лазера по очереди освещали цепочку из 10 ионов иттербия. Один лазер поворачивал магнитные моменты атомов, другой способствовал их взаимодействию между собой.

Данные действия приводили к выполнению колебаний проекциями магнитных моментов, при этом период данных колебаний был вдвое большим, чем период лазерной подкачки спинов.

Интересным моментом было то, что если частоту излучения первого лазера немного сбивали, колебания в системе не изменялись. Темпоральный кристалл сохранял свою периодичность.

Коллектив под руководством М. Лукина сделал попытку выполнить временной кристалл с помощью алмаза. Синтетический кристалл, имеющий около миллиона дефектов, расположенных беспорядочно, подвергали воздействию микроволновых импульсов. Ученые фиксировали отклик системы при частотах много меньших, чем частота возбуждающего излучения.

По результатам исследований, которые описаны выше, научное сообщество сделало вывод о том, что системы Монро и Лукина спонтанно нарушают временную симметрию, следовательно, удовлетворяют требованиям временного кристалла с точки зрения математики. Но пока следует воздержаться от признания того, что темпоральный кристалл получен.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizicheskie_gipotezy/temporalnyy_kristall_kak_fizicheskaya_gipoteza/

«Переводы»: Новое состояние вещества. Что такое временные кристаллы?

Темпоральный кристалл как физическая гипотеза

Не так давно ученые объявили об открытии нового состояния вещества с поразительными свойствами, которое официально было добавлено к уже внушительному списку, включающему много интересных пунктов, помимо известных всем твердого, жидкого и газообразного агрегатных состояний. Concepture публикует перевод статьи, дающей общее представление о природе и возможном применении временных кристаллов.

В начале этого года физики составили предварительную программу по созданию и измерению временных кристаллов – странного состояния вещества, характеризующегося тем, что атомная структура повторяется не только в пространстве, но и во времени, что позволяет им поддерживать постоянную осцилляцию (колебание) без затраты энергии.

Две независимых группы исследователей смогли создать что-то, что было до жути похоже на временные кристаллы еще в январе, но рецензирование оба эксперимента прошли относительно недавно, что позволило официально ввести «невозможное» явление в царство физической реальности.

Временные кристаллы – это одна из самых захватывающих новостей, которыми физики порадовали мир за последние месяцы. Дело в том, что кристаллы указывают на наличие целого мира «неравновесных» фаз, кардинально отличающегося от всего, что ученые исследовали раньше.

В течение десятилетий ученые изучали вещества, такие как металлы и диэлектрики, которые определяются тем, что находятся в состоянии «равновесия», то есть в состоянии, при котором все атомы в материале имеют то же количество тепла.Теперь, похоже, временные кристаллы станут первым примером неравновесного состояния вещества, существование которого было предсказано теоретически, но еще не было исследовано на практике.

К тому же они могут приблизить революцию в способе хранения и передачи информации через квантовые системы. «Это показывает, что разнообразие состояний вещества еще шире (чем мы думали)», в интервью Gizmodo сказал физик Норман Яо (Norman Yao) из Калифорнийского университета, Беркли, который опубликовал программу по созданию временных кристаллов еще в январе.

Временные кристаллы, существование которых впервые предположил лауреат Нобелевской премии, физик-теоретик, Фрэнк Вильчек, это гипотетические структуры, пребывающие в движении даже на самом низком энергетическом уровне, известном также как «основной уровень» (ground state). Обычно, когда материал входит в свое основное состояние – также называемое нулевой точкой энергии системы – движение, теоретически, должно быть невозможно, так как оно требует затраты энергии.

Но Вильчек создал в своем воображении объект, который мог достичь постоянного движения, изначально пребывая в основном состоянии, снова и снова периодически изменяя расположение атомов в кристаллической решетке, то есть, как бы выходя из основного состояния и возвращаясь в него.

Однако, давайте проясним ситуацию – это не вечный двигатель, так как общее количество энергии системы равно нулю. Но эта гипотеза казалась изначально неправдоподобной по другой причине. Она предполагала наличие системы, которая нарушает самое фундаментальное положение современной физики – симметрию относительно сдвига во времени, которое гласит, что законы физики одинаковы везде и всегда.

Как объяснил Дэниэль Оберхаус (Daniel Oberhaus) в интервью Motherboard, симметрия относительно сдвига во времени является причиной того, что невозможно подбросить монетку один раз таким образом, чтобы возможность выпадения «орла» и «решки» была бы 50/50, но в следующий раз, когда вы подбрасываете монетку, вероятность, внезапно, составляет 70/30.

И все же некоторые объекты способны нарушать эту симметрию, находясь в своем основном состоянии, при этом не нарушая законы физики. Представьте себе магнит с северным и южным полюсом.

Неясно, как магнит «решает», какой полюс у него северный или южный, но факт того, что у него есть эти полюса, северный и южный, подразумевает, что он не будет выглядеть одинаково с обоих концов – он от природы ассиметричен.

Другим примером физического объекта с ассиметричным основным состоянием является кристалл. Кристаллы известны своими повторяющимися структурными паттернами, но атомы внутри них имеют свои «предпочтительные» позиции в решетке.

Таким образом, в зависимости от того, с какой точки вы рассматриваете кристалл в пространстве, он выглядит различно – законы физики больше не симметричны, потому что они неприменимы равным образом ко всем точкам в пространстве.

Держа это в уме, Вильчек предположил, что возможно создать объект, который достигает ассиметричного основного состояния не в пространстве, как обычные кристаллы или магниты, а во времени. Что пораждает логичный вопрос, могут ли атомы «предпочитать» разные состояния в течение разных промежутков времени?

Спустя несколько лет американские и японские исследователи показали, что это возможно, но при этом в предположение Вильчека было внесено значительное изменение: чтобы кристаллы снова и снова сменяли свои состояния, им иногда нужно давать «толчок».

В январе этого года, Норман Яо (Norman Yao), в своем интервью Элизабет Гибни для журнала «Nature», описал, как можно построить такие системы, при этом используя более «слабый» вид нарушения симметрии, чем тот, который предполагал Вильчек.

Две независимых группы исследователей, одна от Университета штата Мэриленд, другая – от Гарвардского Университета, взяли на вооружение эту идею и воплотили ее в жизнь, создав две разные версии временного кристалла, которые оказались одинаково жизнеспособными.

Как описано в препринте, вышедшем в январе 2017 года, временные кристаллы, созданные группой из Университета Мэриленд, были сконструированы в виде «паровозика» из 10 атомов иттербия, у всех этих атомов был «спутанные» спины электронов.

Крис Монро, Университет штата Мэриленд

Так как спины атомов были «спутанными», атомы сформировали стабильный, повторяющийся паттерн смены спина, который определяет кристалл.

Параллельно с формированием повторяющегося паттерна происходило что-то на самом деле странное, но одновременно необходимое, чтобы превратить данную структуру во временной кристалл – паттерн изменения спинов в системе повторялся только наполовину так часто, как импульсы лазеров.

«Это, как если бы вы потрясли желе и обнаружили бы, что его ответные колебания были бы с другим периодом, чем изначальные, не правда ли, это было бы крайне странно?» говорит Яо. Что касается, гарвардских временных кристаллов, то они были созданы на основе алмазов, загрязненных азотом, которые по этой причине выглядели полностью черными.

Гарвардский алмаз. Credit: Georg Kucsko

Спин данных примесей также периодически сменялся и возвращался к изначальному состоянию, как и спин ионов иттербия в рамках эксперимента Университета Мэриленда. Это был очень волнительный момент для физики, но теперь все действительно официально, потому что оба эксперимента прошли рецензирование, а результаты опубликованы в двух разных статьях в журнале «Nature».

Теперь, когда стало известно, что такое явление существует, необходимо придумать способы его использования.

Одним из наиболее многообещающих применений временных кристаллов являются квантовые вычисления – они могут помочь физикам создать стабильные квантовые системы, работающие при значительно более высоких температурах, чем существующие на сегодняшний день, то есть, это может стать тем толчком, который сделает квантовые компьютеры повседневной реальностью.

Даже люди, далекие от науки, могут почувствовать потенциал новой технологии. Интересно, что она нам принесет?

Оригинал статьи

Источник: https://concepture.club/post/nauka/perevody-novoe-sostojanie-veschestva-chto-takoe-vremennye-kristally

Booksm
Добавить комментарий