Les physiciens ont créé le premier "cristal du temps" au monde

Chris Monroe a travaillé avec un piège à ions de conception similaire (source: Hartmut Häffner)

En 2012, le prix Nobel de physique Frank Wilcek a proposé une idée inhabituelle. Il a suggéré (et essayé de prouver) la possibilité de l'existence de "cristaux de temps". De telles structures, selon le physicien, reçoivent de l'énergie pour leur mouvement à partir d'une faille dans la symétrie du temps. Une faute, selon Wilcek, est une forme spéciale de mouvement perpétuel.

Les cristaux eux-mêmes sont des structures très inhabituelles. Par exemple, les cristaux (ceux dont le réseau cristallin n'a pas une symétrie cubique supérieure) ont la propriété de l'anisotropie. L'anisotropie des cristaux est l'hétérogénéité de leurs propriétés physiques (élastiques, mécaniques, thermiques, électriques, magnétiques, optiques et autres) dans diverses directions.

Les physiciens modernes s'intéressent non seulement à l'anisotropie des cristaux, mais aussi à leur symétrie. Quant à la symétrie, elle se manifeste non seulement dans leur structure et leurs propriétés dans l'espace tridimensionnel réel, mais aussi dans la description du spectre énergétique des électrons cristallins, l'analyse de la diffraction des rayons X, la diffraction des neutrons et la diffraction des électrons dans les cristaux utilisant l'espace réciproque, etc. Quant aux "cristaux du temps", les scientifiques ont suggéré ici que les cristaux sont symétriques dans le temps.

Vilcek a parléà propos de ce phénomène possible en 2010: «J'ai constamment pensé à la classification des cristaux, puis j'ai pensé que l'on pouvait imaginer l'espace-temps de ce point de vue. Autrement dit, si nous pensons aux cristaux dans l'espace, il serait logique d'imaginer des structures cristallines dans le temps. » Dans les cristaux, les atomes occupent une position stable dans le réseau. Et puisque les objets stables restent inchangés dans le temps, il est possible que les atomes puissent former un réseau se répétant constamment dans le temps. Ils retournent à leur position initiale à travers un intervalle discret, brisant la symétrie temporelle. Si un cristal ne consomme pas et ne produit pas d'énergie, alors ces cristaux temporaires sont stables, étant à «l'état fondamental». De plus, des changements cycliques se produisent dans la structure cristalline, ce qui,du point de vue de la physique, il peut être considéré comme un mouvement perpétuel.

De nombreux physiciens doutaient de la validité de l'hypothèse de la possibilité de l'existence de cristaux temporaires. Mais les scientifiques qui l'ont accepté ont commencé à chercher des moyens de vérifier la validité de l'hypothèse de Wilcek. Et ils ont trouvé.



Chris Monroe de l' Université du Marylandà College Park pour la première fois, il a pu créer un cristal temporaire dans son laboratoire. Son idée était de créer un système quantique sous la forme d'un groupe d'ions disposé en anneau. Lors du refroidissement de l'anneau, comme l'a affirmé Monroe (et avant lui, d'autres scientifiques), l'état énergétique de l'ensemble du système chutera au minimum. En d'autres termes, dans de telles conditions, le système entre dans la phase de «l'état fondamental». Si la symétrie temporelle est brisée, alors l'anneau devrait changer dans le temps. En d'autres termes, faites pivoter. Bien sûr, il est impossible d'extraire l'énergie de ce mouvement, car cela contredit la loi de conservation de l'énergie.



Tout cela est une théorie. En pratique, la mise en œuvre de cette idée est plus difficile. L'intention de créer un anneau d'ions et de vérifier la validité de l'hypothèse de cristaux temporaires il y a plusieurs années a été rapportée par des scientifiques de Berkeley. Ils prévoyaient d'injecter des centaines d'ions calcium dans une petite chambre. Cette caméra doit être entourée d'électrodes et allumer le courant. Le champ électrique qui en résulte permet aux ions d'être entraînés dans une chambre d'environ 100 microns d'épaisseur. Il faut ensuite "calibrer" les particules pour aligner le champ. Les ions, partant les uns des autres, formeraient un anneau cristallin, réparti uniformément le long du bord extérieur de la chambre.

On suppose que les ions dans un tel piège seront dans un état excité, mais à l'aide d'un laser, leur énergie cinétique sera progressivement réduite. Selon le plan, la température du système doit être portée à 1 milliardième de degrés au-dessus de zéro. Après que le système ait atteint l'état fondamental, les scientifiques ont prévu d'activer un champ magnétique statique. Ce champ, si l'hypothèse des cristaux temporaires est correcte, aurait dû faire tourner les ions. Après le retour des ions à leur point de départ dans un certain laps de temps, les scientifiques auraient détecté une violation de la symétrie temporelle.

Monroe a suivi une voie similaire, mais pour créer l'anneau, il n'a pas utilisé d'ions potassium, mais d'ions ytterbium. La difficulté de la mise en œuvre de l'idée est qu'il n'est pas possible de prédire l'existence d'une particule à un certain moment dans un certain endroit. Certes, grâce à la localisation d'Anderson, une exception apparaît dans cette règle qui peut être utilisée. Localisation d'Anderson - un phénomène qui se produit lors de la propagation des ondes dans un milieu présentant des inhomogénéités spatiales et consistant en ce qu'en raison de la diffusion multiple par inhomogénéités et interférence des ondes diffusées, la propagation des ondes en déplacement devient impossible; les vibrations acquièrent le caractère d'une onde stationnaire, concentrée (localisée) dans une zone limitée de l'espace.

Relativement récemment, les physiciens ont étudié des groupes de particules quantiques interagissant les uns avec les autres de telle manière que cette interaction les oblige à se localiser. Monroe a pu utiliser les résultats de cette étude pour forcer les ions ytterbium à se produire à un moment précis. En conséquence, un cristal temporaire a été créé et l'équipe Monroe a ainsi prouvé la possibilité de briser la symétrie temporelle. Lors de l'étude des propriétés d'un cristal temporaire, il s'est avéré qu'un changement significatif de la fréquence d'excitation ionique faisait «fondre» le cristal. Selon les scientifiques, la création d'un cristal temporaire ouvre de larges possibilités pour l'informatique quantique. Par exemple, à partir de cristaux temporaires, une mémoire quantique fiable peut être créée.

Certes, le travail de Monroe et de ses collègues doit encore être vérifié. D'autres équipes de physiciens prévoient de tester la nature de l'effet des cristaux temporaires en répétant l'expérience. Si cela réussit, l'hypothèse de Frank Wilczek deviendra une théorie et la physique quantique sera incitée à poursuivre son développement.

arXiv: 1609.08684

Source: https://habr.com/ru/post/fr398169/