Wissenschaftler haben die Existenz von "Zeitkristallen" bestätigt - einem Phasenzustand der Materie mit einer Verletzung der zeitlichen Symmetrie

Die Struktur des Zeitkristalls wiederholt sich periodisch nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich. Zum Beispiel ein Ring gekühlter Atome in einem schwachen Magnetfeld.

Das ist also kein leeres Gerede mehr und keine bloße Theorie. Letzte Woche veröffentlichte die maßgebliche Zeitschrift Physical Review Letters einen wissenschaftlichen Artikel des Assistenzprofessors an der University of California in Berkeley, Norman Yao, mit Kollegen, in dem er ein Diagramm zur Erstellung eines Zeitkristalls und eine dafür spezifische staatliche Registrierungstechnik gibt eine neue Form der Materie.

Jetzt wurde eine Brücke zwischen Theorie und Realität gebaut - jeder kann das Experiment zur Erzeugung von Zeitkristallen wiederholen, und diese Theorie des Nobelpreisträgers Wilcek kann als experimentell bestätigt angesehen werden.

Der herausragende Physiker Frank Wilcek stellte 2012 die Hypothese der „Zeitkristalle“ auf . Es wird verständlich, wenn wir uns die Existenz eines Kristalls in der Raumzeit ein wenig vorstellen, als dies akzeptiert wird. Es ist normalerweise üblich, ein Kristallgitter im Raum zu betrachten, aber Frank Wilcek schlug vor, es auch rechtzeitig zu betrachten.

Wenn Sie die Atome des Kristallgitters auf diese Weise betrachten, treten in einem stabilen externen Kristall einige Schwingungen der inneren Energie auf. Wilceks Berechnungen zeigten, dass Atome zeitlich ein sich ständig wiederholendes Gitter bilden können, das nach verschiedenen Zeitintervallen an ihre ursprüngliche Position zurückkehrt und dadurch die zeitliche Symmetrie bricht. Es stellt sich heraus, dass temporäre Kristalle ohne den Verbrauch oder die Erzeugung von Energie im „Grundzustand“ sind, aber zyklisch die Struktur verändern, die aus physikalischer Sicht als ständige Bewegung definiert ist.

Im September 2016 schuf Chris Monroe den ersten temporären Kristall im Labor der University of Maryland im College Park.. Seine Idee war es, ein Quantensystem in Form einer Gruppe von Ionen zu schaffen, die in einem Ring angeordnet sind. Wenn der Ring abgekühlt ist, fällt der Energiezustand des Systems auf das Mindestniveau, dh den "Grundzustand". Chris Monroe nahm Ytterbiumionen, um den "Grundzustand" des Rings zu erzeugen. Er benutzte Quantenwechselwirkungen, um Ytterbiumionen zum Eintritt in den Grundzustand zu zwingen und dann die Verletzung der zeitlichen Symmetrie zu beheben. Wissenschaftliche Arbeit auf arXiv.org .

Nach der Monroe-Gruppe wurde ein erfolgreiches Experiment zur Erzeugung von Zeitkristallen von Kollegen der Harvard University (der Hauptautor der Studie war Mikhail Lukin, ein Harvard-Mitarbeiter) unter Verwendung eines völlig anderen Versuchsaufbaus mit dicht gepackten Stickstoffleerstellen in Diamanten durchgeführt. Sie auchveröffentlichte ihre Ergebnisse auf arXiv.org . Norman Yao, ein Vertreter des Fachbereichs Physik an der University of California in Berkeley, nahm an der Arbeit in Harvard teil.

Norman Yao arbeitete gleichzeitig eng mit den Forschungsteams von Monroe und Lukin zusammen, wodurch er die wichtigsten grundlegenden Eigenschaften von Zeitkristallen detailliert untersuchen konnte.

Zeitkristalle wiederholen periodisch ihre Struktur, weil sie periodisch Energie von außen erhalten. Laut Schulleiter Yao kann dies mit der Bewegung eines Geleewürfels verglichen werden, der mit einem Finger bewegt wurde. Zeitkristalle, die einen externen Energieeffekt erhalten haben, zeigen ein äußerst interessantes Verhalten, was sie zu einem neuen Phasenzustand der Materie macht. Dies ist eine breite Klasse von Materialien, die von Natur aus nicht ausgewogen sind .



"Dies ist definitiv eine neue Phase der Materie", sagt Norman Yao. - aber es ist wirklich cool, weil es eines der ersten Beispiele für Nichtgleichgewichtsmaterie ist. Im letzten halben Jahrhundert haben wir Gleichgewichtsmaterie sowohl in Metallen als auch in Dielektrika untersucht. Wir fangen gerade erst an, eine ganz neue Welt der Nichtgleichgewichtsmaterie zu studieren. “

Norman Yao selbst kann sich kaum vorstellen, wo Zeitkristalle in der Praxis eingesetzt werden können. Andere Forscher schlagen vor, dass Nichtgleichgewichtsmaterialien mit einer zyklischen Wiederholung der Struktur in der Zeit nahezu ideale Speichervorrichtungen werden können und in Quantencomputern Anwendung finden werden.


Durch Ändern der experimentellen Parameter kann ein Zeitkristall leicht in den Zustand eines trivialen Dielektrikums geschmolzen oder erwärmt werden.Illustration: Norman Yao

In einem neu veröffentlichten wissenschaftlichen Artikel beschreibt Norman Yao ein Schema zur Erzeugung eines Rings aus 10 Ytterbiumionen, in dem die Elektronenspins wie Qubits in Quantencomputern miteinander interagieren. Um Ionen aus dem Gleichgewicht zu bringen, werden sie mit einem Laserpuls bestrahlt, um ein schwaches Magnetfeld zu erzeugen, und der zweite Laser wickelt die Spins der Atome teilweise ab und wiederholt diesen Effekt viele Male. Da die Spins miteinander interagieren, bewegen sich Atome in ein wiederholbares Wechselwirkungsmuster, das die Struktur des Kristalls bestimmt. Ein solches Schema wurde während des obigen Experiments an der University of Maryland verwendet.

In einem Zeitkristall bilden Elektronen zeitlich einen Kristall, der nicht der Symmetrie der im Raum fixierten Atome entspricht. Dies bestimmt seine einzigartigen Eigenschaften.


Crystal Time Universität von Maryland. Abbildung: APS / Alan Stonebraker / Phil Richerme

Eine weitere ungewöhnliche Eigenschaft dieses Phasenzustands ist die Reaktion auf die Interaktion mit einem Intervall, das das Interaktionsintervall überschreitet. Das heißt, das Material wird mit einem Laser mit einem Intervall von T bestrahlt und das Material reagiert mit einem Intervall von 2T. Dies ist eine äußerst seltsame Eigenschaft, die in gewöhnlichen Materialien nicht zu finden ist. Stellen Sie sich einen Geleewürfel vor, der erst mit dem zweiten Klick zu schwanken beginnt.

In den Experimenten der Gruppe von Mikhail Lukin mit einem völlig anderen Versuchsaufbau wurde das gleiche Phänomen der Verletzung der zeitlichen Symmetrie aufgezeichnet - dies beweist, dass der Zeitkristall tatsächlich einen neuen Phasenzustand der Materie darstellt.

Wissenschaftliche Artikel veröffentlicht 18. Januar 2017 im Journal of der Physical Review Letters (doi: 10.1103 / PhysRevLett.118.030401).

Source: https://habr.com/ru/post/de401051/