Новостная лента

Физики создали часовой кристалл

10.02.2016

 

 

Временные кристаллы – это феномен, существование которого впервые предусмотрели в 2012 г. Теперь исследователи впервые в истории создали такие кристаллы. Они убеждены, что в будущем их можно будет использовать для квантового хранения данных.

 

Кристаллы – это экстраординарные объекты благодаря прежде всего своей симметрии. Они образуют повторяющиеся структуры, которые одинаковы в некоторых направлениях, но не у всех. Это – сюрприз, ведь законы физики, которые лежат в основе их образования, действуют одинаково во всех направлениях.

 

То, что законы физики симметричны, а кристаллы – нет, в физике называют явишем разбивания симметрии. Это явление возникает не тогда, когда системе добавляют энергию, а, наоборот, тогда, когда ее забирают. Кристаллы – это способ существования физических систем в низких энергетических состояниях.

 

Но законы физики симметричны не только в пространстве, но и во времени. Отсюда, следовательно, вытекает интересный вопрос: можно временную симметрию разбить так же, как пространственную? Можно, следовательно, создать временные кристаллы?

 

Ответ на это вопрос нашла команда физиков под руководством Криса Монро из Университета Мэриленда в Колледж-Парке. Впервые в истории в своей лаборатории они создали временной кристалл.

 

Принцип, который лежит в основе таких кристаллов, является очень прямым. Идея заключается в том, чтобы создать квантовую систему, например группу ионов, объединенных в кольцо, и охладить ее настолько, пока она не окажется в самом низком энергетическом состоянии. В таких условиях из законов физики должно следовать, что кольцо должно быть идеально постоянным.

 

Но если временная симметрия нарушена, то оно периодически изменяется во времени, то есть будет вращаться. Из этого вращения невозможно получить энергию, ведь это будет нарушать закон сохранения энергии. Но в этом повторяющемся движении будет проявляться временной разлом симметрии, подобно тому, как пространственный проявляется в нарушении симметрии структуры.

 

Это – теория. На практике, однако, не все так просто. Проблема заключается в том, что квантовый мир не руководствуется зависимыми от времени переменными, поэтому временную симметрию невозможно вписать в эту шкалу. В обычных обстоятельствах даже если охладить кольцо ионов до самого низкого энергетического состояния, оно может быть стационарным.

 

Существуют, правда, обстоятельства, при которых квантовые системы могут развиваться во времени. Именно на квантовых системах, которые не находятся в состоянии равновесия, сосредоточила свое внимание команда Монро. Для эксперимента они выбрали сеть ионов ітербію со спинами, которые взаимодействуют друг с другом.

 

Это взаимодействие обусловливает особый тип поведения. Одна из специфических черт квантовых частиц заключается в том, что они, как правило, не находятся в специфических локациях. Зато они «размазаны» в пространстве по законам вероятности могут появляться в любом месте.

 

В некоторых случаях это, однако, может измениться. Как пример, можно привести феномен локализации Андерсона, открытый в 1950-х гг. Филиппом Андерсоном (Нобелевская премия по физике, 1977 г.), когда электрон в результате интерференции с самим собой может появиться в едином месте.

 

Недавно физики исследовали группу квантовых частиц, которые взаимодействуют друг с другом таким образом, что заставляет их стать локализованными. Эта так называемая «локализация основного тела» является деликатным состоянием, что заставляет частицы находиться в состоянии равновесия. Именно так цепь ионов ітербію и ведет.

 

Одной из их ключевых свойств является магнетизація, то есть спин, который с помощью лазера можно переключать вверх или вниз. Поскольку ионы связаны между собой, переключение спина одного с ним автоматически предопределяет переключение спину другого и т. д. Это взаимодействие зависит от того, как часто лазер переключает оригинальный спин. Другими словами, движущая частота извне обусловливает частоту колебания квантовой системы.

 

Однако когда Монро и его сотрудники измерили это, они увидели другой эффект. Как оказалось, частота взаимодействия внутри системы вдвое превышала оригинальную частоту. Поскольку никакой движущей силы с таким периодом не существует, единственное объяснение заключается в том, что более длинные периоды обусловило нарушение временной симметрии, то есть команда Монро создала временной кристалл.

 

В последующих исследованиях они открыли несколько интересных свойств временных кристаллов. Например, то, что изменение движущей частоты не меняет частоту колебания часового кристалла, а также то, что критическое значение возмущений может его уничтожить.

 

Исследования Криса Монро и его команды является интересным, если не эзотерическим. Оно доказывает, что временные кристаллы, которые четыре года назад предусмотрели Фрэнк Вильчек (Нобелевская премия по физике 2004 г.) и Альфред Шапиро, действительно могут существовать.

 

Относительно практических задач этих систем, Монро и Ко имеют несколько предложений. Например, они говорят, что временные кристаллы можно использовать для квантово-информационных задач, таких как имплементация длительной квантовой памяти.

 

Экзотическая природа этого эффекта, а также отсутствие его глубокого понимания, однако, может побудить научное сообщество требовать дополнительных экспериментов и доказательств его существования.

 

Physicists Create World’S First Time Crystal

MIT Technology Review, 4/10/2016

Отреферировал Евгений Ланюк

You Might Also Like

Loading...

Нет комментариев

Комментировать

Яндекс.Метрика