Los físicos han creado el primer "cristal del tiempo" del mundo

Chris Monroe trabajó con una trampa de iones de un diseño similar (fuente: Hartmut Häffner)

En 2012, el premio Nobel de física Frank Wilcek propuso una idea inusual. Sugirió (e intentó probar) la posibilidad de la existencia de "cristales de tiempo". Dichas estructuras, según el físico, reciben energía para su movimiento de una falla en la simetría del tiempo. Una falla, según Wilcek, es una forma especial de movimiento perpetuo.

Los cristales en sí mismos son estructuras muy inusuales. Por ejemplo, los cristales (aquellos de ellos cuya red cristalina no tiene una simetría cúbica superior) tienen la propiedad de anisotropía. La anisotropía de los cristales es la heterogeneidad de sus propiedades físicas (elástica, mecánica, térmica, eléctrica, magnética, óptica y otras) en varias direcciones.

Los físicos modernos están interesados ​​no solo en la anisotropía de los cristales, sino también en su simetría. En cuanto a la simetría, se manifiesta no solo en su estructura y propiedades en el espacio tridimensional real, sino también en la descripción del espectro de energía de los electrones cristalinos, el análisis de la difracción de rayos X, la difracción de neutrones y la difracción de electrones en cristales usando el espacio recíproco, etc. En cuanto a los "cristales del tiempo", aquí los científicos han sugerido que los cristales son simétricos en el tiempo.

Vilcek hablósobre este posible fenómeno en 2010: “Pensé constantemente en la clasificación de los cristales, y luego pensé que puedes imaginar el espacio-tiempo desde este punto de vista. Es decir, si pensamos en los cristales en el espacio, sería lógico imaginar estructuras cristalinas en el tiempo ". En los cristales, los átomos ocupan una posición estable en la red. Y dado que los objetos estables permanecen sin cambios en el tiempo, existe la posibilidad de que los átomos puedan formar una red que se repite constantemente en el tiempo. Vuelven a su posición inicial a través de un intervalo discreto, rompiendo la simetría temporal. Si un cristal no consume y no produce energía, entonces dichos cristales temporales son estables y se encuentran en el "estado fundamental". Además, se producen cambios cíclicos en la estructura cristalina, que,desde el punto de vista de la física puede considerarse un movimiento eterno.

Muchos físicos tenían dudas sobre la validez de la hipótesis de la posibilidad de la existencia de cristales temporales. Pero los científicos que lo aceptaron comenzaron a buscar formas de verificar la validez de la suposición de Wilcek. Y lo encontraron.



Chris Monroe de la Universidad de Marylanden College Park por primera vez pudo crear un cristal temporal en su laboratorio. Su idea era crear un sistema cuántico en forma de un grupo de iones dispuestos en un anillo. Al enfriar el anillo, como afirmó Monroe (y antes que él, otros científicos), el estado de energía de todo el sistema se reducirá al mínimo. En otras palabras, bajo tales condiciones, el sistema entra en la fase del "estado fundamental". Si la simetría temporal se rompe, el anillo debería cambiar con el tiempo. En otras palabras, rotar. Por supuesto, es imposible extraer la energía de este movimiento, ya que esto contradice la ley de conservación de la energía.



Todo esto es una teoría. En la práctica, implementar esta idea es más difícil. Científicos de Berkeley informaron sobre la intención de crear un anillo de iones y verificar la validez de la hipótesis de los cristales temporales hace varios años. Planearon inyectar cientos de iones de calcio en una pequeña cámara. Esta cámara debe estar rodeada de electrodos y encender la corriente. El campo eléctrico resultante permite que los iones sean conducidos a una cámara de aproximadamente 100 micras de espesor. Entonces es necesario "calibrar" las partículas para alinear el campo. Los iones, comenzando uno del otro, formarían un anillo de cristal, distribuido uniformemente a lo largo del borde exterior de la cámara.

Se supone que los iones en tal trampa estarán en un estado excitado, pero con la ayuda de un láser, su energía cinética se reducirá gradualmente. Según el plan, la temperatura del sistema debe llevarse a mil millones de grados por encima de cero. Después de que el sistema alcanza el estado fundamental, los científicos planearon activar un campo magnético estático. Este campo, si la hipótesis de los cristales temporales es correcta, debería haber hecho girar los iones. Después de que los iones regresaron a su punto de partida dentro de un cierto período de tiempo, los científicos habrían detectado una violación de la simetría temporal.

Monroe siguió un camino similar, solo para crear el anillo no usó iones de potasio, sino iones de iterbio. La dificultad para implementar la idea es que no es posible predecir la existencia de una partícula en un momento determinado en un lugar determinado. Es cierto, gracias a la localización de Anderson, aparece una excepción en esta regla que se puede utilizar. Localización de Anderson: un fenómeno que ocurre durante la propagación de ondas en un medio con inhomogeneidades espaciales y que consiste en el hecho de que debido a la dispersión múltiple por inhomogeneidades e interferencia de ondas dispersas, la propagación de ondas viajeras se vuelve imposible; Las vibraciones adquieren el carácter de una onda estacionaria, concentrada (localizada) en un área limitada del espacio.

Hace relativamente poco tiempo, los físicos han estudiado grupos de partículas cuánticas que interactúan entre sí de tal manera que esta interacción los obliga a localizar. Monroe pudo utilizar los resultados de este estudio para obligar a los iones de iterbio a tener lugar en un momento específico. Como resultado, se creó un cristal temporal, y el equipo de Monroe, por lo tanto, demostró la posibilidad de romper la simetría temporal. Al estudiar las propiedades de un cristal temporal, resultó que un cambio significativo en la frecuencia de la excitación iónica hace que el cristal se "derrita". Según los científicos, la creación de un cristal temporal abre amplias posibilidades para la computación cuántica. Por ejemplo, basado en cristales temporales, se puede crear una memoria cuántica confiable.

Es cierto que el trabajo de Monroe y sus colegas aún requiere verificación. Otros equipos de físicos planean probar la naturaleza del efecto de los cristales temporales repitiendo el experimento. Si esto tiene éxito, la hipótesis de Frank Wilczek se convertirá en una teoría, y la física cuántica recibirá un incentivo para un mayor desarrollo.

arXiv: 1609.08684

Source: https://habr.com/ru/post/es398169/