Físicos criaram o primeiro "cristal do tempo" do mundo

Chris Monroe trabalhou com uma armadilha de íons de design semelhante (fonte: Hartmut Häffner).

Em 2012, o Prêmio Nobel de Física Frank Wilcek propôs uma idéia incomum. Ele sugeriu (e tentou provar) a possibilidade da existência de "cristais do tempo". Tais estruturas, de acordo com o físico, recebem energia por seus movimentos de uma falha na simetria do tempo. Uma falha, segundo Wilcek, é uma forma especial de movimento perpétuo.

Os próprios cristais são estruturas muito incomuns. Por exemplo, cristais (aqueles cuja rede cristalina não possui uma simetria cúbica mais alta) têm a propriedade de anisotropia. Anisotropia de cristais é a heterogeneidade de suas propriedades físicas (elástica, mecânica, térmica, elétrica, magnética, óptica e outras) em várias direções.

Os físicos modernos estão interessados ​​não apenas na anisotropia dos cristais, mas também em sua simetria. Quanto à simetria, ela se manifesta não apenas em sua estrutura e propriedades no espaço tridimensional real, mas também na descrição do espectro de energia dos elétrons de cristal, análise dos processos de difração de raios-x, difração de nêutrons e difração de elétrons em cristais usando espaço recíproco, etc. Quanto aos "cristais do tempo", aqui os cientistas sugeriram que os cristais são simétricos no tempo.

Vilcek falousobre esse possível fenômeno em 2010: “Pensei constantemente na classificação de cristais e depois pensei que você pode imaginar o espaço-tempo desse ponto de vista. Ou seja, se pensarmos em cristais no espaço, seria lógico imaginar estruturas de cristal no tempo. ” Nos cristais, os átomos ocupam uma posição estável na rede. E como os objetos estáveis ​​permanecem inalterados no tempo, existe a possibilidade de que os átomos possam formar uma estrutura de repetição constante no tempo. Eles retornam à sua posição inicial através de um intervalo discreto, quebrando a simetria temporal. Se um cristal não consome e não produz energia, esses cristais temporários são estáveis, estando no "estado fundamental". Além disso, ocorrem mudanças cíclicas na estrutura cristalina, que,do ponto de vista da física, pode ser considerado movimento perpétuo.

Muitos físicos duvidavam da validade da hipótese da possibilidade da existência de cristais temporários. Mas os cientistas que o aceitaram começaram a procurar maneiras de verificar a validade da suposição de Wilcek. E eles encontraram.



Chris Monroe, da Universidade de Marylandem College Park, pela primeira vez, ele conseguiu criar um cristal temporário em seu laboratório. Sua idéia era criar um sistema quântico na forma de um grupo de íons dispostos em um anel. Ao resfriar o anel, como afirmou Monroe (e antes dele, outros cientistas), o estado de energia de todo o sistema cairá ao mínimo. Em outras palavras, sob tais condições, o sistema entra na fase do “estado fundamental”. Se a simetria temporal é quebrada, o anel deve mudar com o tempo. Em outras palavras, gire. Evidentemente, é impossível extrair a energia desse movimento, pois isso contradiz a lei da conservação de energia.



Tudo isso é uma teoria. Na prática, implementar essa idéia é mais difícil. A intenção de criar um anel de íons e verificar a validade da hipótese de cristais temporários há vários anos foi relatada por cientistas de Berkeley. Eles planejavam injetar centenas de íons cálcio em uma pequena câmara. Esta câmera deve estar cercada por eletrodos e ligar a corrente. O campo elétrico resultante permite que os íons sejam conduzidos para uma câmara com cerca de 100 mícrons de espessura. Então é necessário "calibrar" as partículas para alinhar o campo. Os íons, partindo um do outro, formariam um anel de cristal, distribuído uniformemente ao longo da borda externa da câmara.

Supõe-se que os íons nessa armadilha estejam excitados, mas com a ajuda de um laser sua energia cinética será gradualmente reduzida. De acordo com o plano, a temperatura do sistema deve ser aumentada em 1 bilionésimo de grau acima de zero. Após o sistema atingir o estado fundamental, os cientistas planejaram ativar um campo magnético estático. Este campo, se a hipótese de cristais temporários estiver correta, deveria ter feito os íons girarem. Depois que os íons retornassem ao ponto de partida dentro de um certo período, os cientistas teriam detectado uma violação da simetria temporal.

Monroe seguiu um caminho semelhante, apenas para criar o anel, ele não usou íons de potássio, mas íons de itérbio. A dificuldade em implementar a idéia é que não é possível prever a existência de uma partícula em um determinado momento em um determinado local. É verdade que, graças à localização de Anderson, uma exceção aparece nesta regra que pode ser usada. Localização de Anderson - fenômeno que ocorre durante a propagação de ondas em um meio com inomogeneidades espaciais e consiste no fato de que, devido à dispersão múltipla por inomogeneidades e interferência de ondas dispersas, a propagação de ondas viajantes se torna impossível; as vibrações adquirem o caráter de uma onda estacionária, concentrada (localizada) em uma área limitada do espaço.

Recentemente, os físicos estudaram grupos de partículas quânticas interagindo entre si de tal maneira que essa interação as obriga a se localizar. Monroe foi capaz de usar os resultados deste estudo para forçar os íons de itérbio a ocorrerem em um momento específico. Como resultado, um cristal temporário foi criado, e a equipe de Monroe, assim, provou a possibilidade de quebrar a simetria temporal. Ao estudar as propriedades de um cristal temporário, descobriu-se que uma mudança significativa na frequência da excitação de íons faz com que o cristal "derreta". Segundo os cientistas, a criação de um cristal temporário abre amplas possibilidades para a computação quântica. Por exemplo, com base em cristais temporários, uma memória quântica confiável pode ser criada.

É verdade que o trabalho de Monroe e colegas ainda exige verificação. Outras equipes de físicos planejam testar a natureza do efeito de cristais temporários repetindo o experimento. Se isso der certo, a hipótese de Frank Wilczek se tornará uma teoria e a física quântica receberá um incentivo para o desenvolvimento futuro.

arXiv: 1609.08684

Source: https://habr.com/ru/post/pt398169/