لقد صنع الفيزيائيون أول "بلورة زمنية" في العالم

عمل كريس مونرو مع مصيدة أيون ذات تصميم مماثل (المصدر: Hartmut Häffner)

في عام 2012 ، اقترح الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء فرانك ويلسيك فكرة غير عادية. اقترح (وحاول أن يثبت) إمكانية وجود "بلورات زمنية". مثل هذه الهياكل ، وفقًا للفيزيائي ، تتلقى طاقة لحركتها من خطأ في تناظر الوقت. العيب ، وفقا ل Wilcek ، هو شكل خاص من أشكال الحركة الدائمة.

البلورات نفسها هي هياكل غير عادية للغاية. على سبيل المثال ، البلورات (تلك التي لا تحتوي شبكتها البلورية على تناظر مكعب أعلى) لها خصائص متباينة الخواص. تباين البلورات هو عدم تجانس خواصها الفيزيائية (المرنة ، الميكانيكية ، الحرارية ، الكهربائية ، المغناطيسية ، البصرية ، وغيرها) في اتجاهات مختلفة.

يهتم الفيزيائيون المعاصرون ليس فقط في تباين البلورات ، ولكن أيضًا في تناظرها. أما بالنسبة للتناظر ، فإنه يتجلى ليس فقط في هيكلها وخصائصها في الفضاء ثلاثي الأبعاد الحقيقي ، ولكن أيضًا في وصف طيف الطاقة للإلكترونات البلورية ، وتحليل حيود الأشعة السينية ، والحيود النيوتروني والحيود الإلكتروني في البلورات باستخدام الفضاء المتبادل ، إلخ. أما بالنسبة لـ "بلورات الزمن" ، فقد اقترح العلماء هنا أن البلورات متماثلة في الوقت المناسب. تحدث

فيلشيكحول هذه الظاهرة المحتملة في عام 2010: “كنت أفكر باستمرار في تصنيف البلورات ، ثم اعتقدت أنه يمكنك تخيل الزمكان من وجهة النظر هذه. أي ، إذا فكرنا في البلورات في الفضاء ، سيكون من المنطقي أن نتخيل الهياكل البلورية في الوقت المناسب. " في البلورات ، تحتل الذرات موقعًا مستقرًا في الشبكة. وبما أن الأجسام المستقرة تبقى دون تغيير في الوقت المناسب ، فهناك احتمال أن تشكل الذرات شبكة شعرية متكررة باستمرار في الوقت المناسب. يعودون إلى موقعهم الأولي من خلال فترة زمنية منفصلة ، وكسر التماثل الزمني. إذا كانت البلورة لا تستهلك ولا تنتج طاقة ، فإن هذه البلورات المؤقتة تكون مستقرة ، وتكون في "الحالة الأرضية". علاوة على ذلك ، تحدث تغيرات دورية في البنية البلورية ، والتي ،من وجهة نظر الفيزياء ، يمكن اعتبارها حركة دائمة.

كان لدى العديد من الفيزيائيين شكوك حول صحة فرضية إمكانية وجود بلورات مؤقتة. لكن العلماء الذين قبلوها بدأوا في البحث عن طرق للتحقق من صحة افتراض ويلتشيك. ووجدوا.



كريس مونرو من جامعة ماريلاندفي كوليدج بارك للمرة الأولى تمكن من صنع بلورة مؤقتة في مختبره. كانت فكرته هي إنشاء نظام كمومي على شكل مجموعة من الأيونات مرتبة في حلقة. عند تبريد الحلقة ، كما ادعى مونرو (وقبله ، علماء آخرون) ، ستنخفض حالة الطاقة في النظام بأكمله إلى الحد الأدنى. وبعبارة أخرى ، في ظل هذه الظروف ، يدخل النظام في مرحلة "الحالة الأساسية". إذا تم كسر التماثل الزمني ، فيجب أن تتغير الحلقة في الوقت المناسب. بعبارة أخرى ، قم بالتدوير. بالطبع ، من المستحيل استخراج طاقة هذه الحركة ، لأن هذا يتناقض مع قانون الحفاظ على الطاقة.



كل هذه نظرية. عمليًا ، تنفيذ هذه الفكرة أكثر صعوبة. تم الإبلاغ عن نية إنشاء حلقة من الأيونات والتحقق من صحة فرضية البلورات المؤقتة قبل عدة سنوات من قبل علماء من بيركلي. خططوا لحقن مئات من أيونات الكالسيوم في غرفة صغيرة. يجب أن تكون هذه الكاميرا محاطة بأقطاب كهربائية وتشغيل التيار. يسمح المجال الكهربائي الناتج بدخول الأيونات إلى غرفة بسماكة 100 ميكرون. ثم من الضروري "معايرة" الجسيمات لمحاذاة المجال. ستشكل الأيونات ، بدءاً من بعضها البعض ، حلقة بلورية ، موزعة بالتساوي على طول الحافة الخارجية للغرفة.

من المفترض أن تكون الأيونات في هذا المصيدة في حالة من الإثارة ، ولكن بمساعدة الليزر ستنخفض طاقتها الحركية تدريجيًا. وفقًا للخطة ، يجب رفع درجة حرارة النظام إلى 1 مليار درجة فوق الصفر. بعد وصول النظام إلى حالة الأرض ، خطط العلماء لتشغيل مجال مغناطيسي ثابت. هذا المجال ، إذا كانت فرضية البلورات المؤقتة صحيحة ، يجب أن تجعل الأيونات تدور. بعد عودة الأيونات إلى نقطة انطلاقها خلال فترة زمنية معينة ، كان العلماء قد اكتشفوا وجود انتهاك للتناظر الزمني.

ذهب مونرو بطريقة مماثلة ، فقط لإنشاء الحلقة لم يستخدم أيونات البوتاسيوم ، ولكن أيونات الإيتيربيوم. تكمن صعوبة تنفيذ الفكرة في أنه لا يمكن التنبؤ بوجود جسيم في وقت معين في مكان معين. صحيح ، بفضل توطين Anderson ، يظهر استثناء في هذه القاعدة يمكن استخدامه. توطين أندرسون - ظاهرة تحدث أثناء انتشار الموجات في وسط مع عدم تجانس مكاني وتتكون في حقيقة أنه بسبب الانتثار المتعدد بواسطة التجانس وتداخل الموجات المتناثرة ، يصبح انتشار الموجات المتنقلة مستحيلاً ؛ تكتسب الاهتزازات طبيعة موجة قائمة ، مركزة (موضعية) في مساحة محدودة من الفضاء.

في الآونة الأخيرة نسبيًا ، درس الفيزيائيون مجموعات من الجسيمات الكمومية تتفاعل مع بعضها البعض بطريقة تجبرها هذه التفاعلات على التوطين. تمكن مونرو من استخدام نتائج هذه الدراسة لإجبار أيونات الإيتيربيوم على الحدوث في وقت محدد. ونتيجة لذلك ، تم إنشاء بلورة مؤقتة ، وأثبت فريق مونرو إمكانية كسر التماثل الزمني. عند دراسة خصائص البلورة المؤقتة ، تبين أن تغييرًا كبيرًا في وتيرة الإثارة الأيونية يجعل البلورة "تذوب". وفقا للعلماء ، فإن إنشاء بلورة مؤقتة يفتح إمكانيات واسعة للحوسبة الكمومية. على سبيل المثال ، بناءً على البلورات المؤقتة ، يمكن إنشاء ذاكرة كمية موثوقة.

صحيح أن عمل مونرو وزملائه لا يزال يتطلب التحقق. تخطط فرق أخرى من الفيزيائيين لاختبار طبيعة تأثير البلورات المؤقتة من خلال تكرار التجربة. إذا نجح ذلك ، ستصبح فرضية فرانك ويلزيك نظرية ، وستتلقى فيزياء الكم حافزًا لمزيد من التطوير.

أرخايف: 1609.08684

Source: https://habr.com/ru/post/ar398169/