Physiker haben den weltweit ersten "Kristall der Zeit" geschaffen.

Chris Monroe arbeitete mit einer Ionenfalle ähnlichen Designs (Quelle: Hartmut Häffner).

2012 schlug der Nobelpreisträger für Physik, Frank Wilcek , eine ungewöhnliche Idee vor. Er schlug die Möglichkeit der Existenz von "Zeitkristallen" vor (und versuchte sie zu beweisen). Solche Strukturen erhalten nach Ansicht des Physikers Energie für ihre Bewegung aus einem Fehler in der Symmetrie der Zeit. Ein Fehler ist laut Wilcek eine besondere Form der ständigen Bewegung.

Die Kristalle selbst sind sehr ungewöhnliche Strukturen. Zum Beispiel haben Kristalle (solche, deren Kristallgitter keine höhere kubische Symmetrie aufweist) die Eigenschaft der Anisotropie. Die Anisotropie von Kristallen ist die Heterogenität ihrer physikalischen Eigenschaften (elastisch, mechanisch, thermisch, elektrisch, magnetisch, optisch und andere) in verschiedene Richtungen.

Moderne Physiker interessieren sich nicht nur für die Anisotropie von Kristallen, sondern auch für ihre Symmetrie. Die Symmetrie manifestiert sich nicht nur in ihrer Struktur und ihren Eigenschaften im realen dreidimensionalen Raum, sondern auch in der Beschreibung des Energiespektrums von Kristallelektronen, der Analyse der Röntgenbeugung, der Neutronenbeugung und der Elektronenbeugung in Kristallen unter Verwendung des reziproken Raums usw. Was die "Kristalle der Zeit" betrifft, so haben Wissenschaftler hier vorgeschlagen, dass die Kristalle zeitlich symmetrisch sind.

Vilcek sprachüber dieses mögliche Phänomen im Jahr 2010: „Ich habe ständig über die Klassifizierung von Kristallen nachgedacht, und dann dachte ich, dass man sich Raum-Zeit unter diesem Gesichtspunkt vorstellen kann. Wenn wir also an Kristalle im Raum denken, wäre es logisch, sich Kristallstrukturen in der Zeit vorzustellen. “ In Kristallen nehmen Atome eine stabile Position im Gitter ein. Und da stabile Objekte zeitlich unverändert bleiben, besteht die Möglichkeit, dass Atome zeitlich ein sich ständig wiederholendes Gitter bilden können. Sie kehren durch ein diskretes Intervall in ihre Ausgangsposition zurück und brechen die zeitliche Symmetrie. Wenn ein Kristall keine Energie verbraucht und keine Energie produziert, sind solche temporären Kristalle stabil und befinden sich im „Grundzustand“. Darüber hinaus treten zyklische Änderungen in der Kristallstruktur auf, dieAus physikalischer Sicht kann dies als ewige Bewegung angesehen werden.

Viele Physiker hatten Zweifel an der Gültigkeit der Hypothese der Möglichkeit der Existenz temporärer Kristalle. Aber die Wissenschaftler, die dies akzeptierten, suchten nach Wegen, um die Gültigkeit von Wilceks Annahme zu überprüfen. Und sie fanden.



Chris Monroe von der University of MarylandIm College Park konnte er zum ersten Mal in seinem Labor einen temporären Kristall herstellen. Seine Idee war es, ein Quantensystem in Form einer Gruppe von Ionen zu schaffen, die in einem Ring angeordnet sind. Beim Abkühlen des Rings, wie Monroe behauptete (und vor ihm andere Wissenschaftler), sinkt der Energiezustand des gesamten Systems auf ein Minimum. Mit anderen Worten, unter solchen Bedingungen geht das System in die Phase des „Grundzustands“ über. Wenn die zeitliche Symmetrie unterbrochen ist, sollte sich der Ring zeitlich ändern. Mit anderen Worten, drehen. Natürlich ist es unmöglich, die Energie dieser Bewegung zu extrahieren, da dies dem Gesetz der Energieerhaltung widerspricht.



All dies ist eine Theorie. In der Praxis ist die Umsetzung dieser Idee schwieriger. Die Absicht, vor einigen Jahren einen Ionenring zu erzeugen und die Gültigkeit der Hypothese temporärer Kristalle zu überprüfen, wurde von Wissenschaftlern aus Berkeley berichtet. Sie planten, Hunderte von Calciumionen in eine kleine Kammer zu injizieren. Diese Kamera muss von Elektroden umgeben sein und den Strom einschalten. Das resultierende elektrische Feld ermöglicht es, die Ionen in eine etwa 100 Mikrometer dicke Kammer zu treiben. Dann ist es notwendig, die Partikel zu "kalibrieren", um das Feld auszurichten. Die Ionen würden ausgehend von einander einen Kristallring bilden, der gleichmäßig am äußeren Rand der Kammer verteilt ist.

Es wird angenommen, dass sich die Ionen in einer solchen Falle in einem angeregten Zustand befinden, aber mit Hilfe eines Lasers wird ihre kinetische Energie allmählich verringert. Gemäß dem Plan muss die Temperatur des Systems auf 1 Milliardstel Grad über Null gebracht werden. Nachdem das System den Grundzustand erreicht hatte, planten die Wissenschaftler, ein statisches Magnetfeld einzuschalten. Wenn die Hypothese der temporären Kristalle richtig ist, sollte dieses Feld die Ionen rotieren lassen. Nachdem die Ionen innerhalb eines bestimmten Zeitraums zu ihrem Ausgangspunkt zurückgekehrt waren, hätten Wissenschaftler eine Verletzung der zeitlichen Symmetrie festgestellt.

Monroe ging einen ähnlichen Weg, nur um den Ring herzustellen, verwendete er keine Kaliumionen, sondern Ytterbiumionen. Die Schwierigkeit bei der Umsetzung der Idee besteht darin, dass es nicht möglich ist, die Existenz eines Partikels zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort vorherzusagen. Dank der Anderson-Lokalisierung wird in dieser Regel eine Ausnahme angezeigt, die verwendet werden kann. Anderson-Lokalisierung - ein Phänomen, das während der Ausbreitung von Wellen in einem Medium mit räumlichen Inhomogenitäten auftritt und darin besteht, dass aufgrund der Mehrfachstreuung durch Inhomogenitäten und der Interferenz gestreuter Wellen die Ausbreitung von Wanderwellen unmöglich wird; Die Schwingungen erhalten den Charakter einer stehenden Welle, die auf einem begrenzten Raum konzentriert (lokalisiert) ist.

Vor relativ kurzer Zeit haben Physiker Gruppen von Quantenteilchen untersucht, die miteinander interagieren, so dass diese Wechselwirkung sie zur Lokalisierung zwingt. Monroe konnte die Ergebnisse dieser Studie nutzen, um Ytterbiumionen zu einem bestimmten Zeitpunkt zu zwingen. Infolgedessen wurde ein temporärer Kristall erzeugt, und das Monroe-Team bewies somit die Möglichkeit, die zeitliche Symmetrie zu brechen. Bei der Untersuchung der Eigenschaften eines temporären Kristalls stellte sich heraus, dass eine signifikante Änderung der Frequenz der Ionenanregung den Kristall „schmelzen“ lässt. Laut Wissenschaftlern eröffnet die Schaffung eines temporären Kristalls breite Möglichkeiten für das Quantencomputing. Beispielsweise kann basierend auf temporären Kristallen ein zuverlässiger Quantenspeicher erzeugt werden.

Die Arbeit von Monroe und Kollegen muss zwar noch überprüft werden. Andere Teams von Physikern planen, die Art der Wirkung temporärer Kristalle durch Wiederholung des Experiments zu testen. Gelingt dies, wird die Frank-Wilczek-Hypothese zur Theorie, und die Quantenphysik erhält einen Anreiz zur Weiterentwicklung.

arXiv: 1609.08684

Source: https://habr.com/ru/post/de398169/