Os cientistas confirmaram a existência de "cristais do tempo" - um estado de fase da matéria com uma violação da simetria temporal

A estrutura do cristal do tempo é repetida periodicamente não apenas no espaço, mas também no tempo. Por exemplo, um anel de átomos resfriados em um campo magnético fraco

, portanto, isso não é mais uma conversa vazia e nem uma teoria nua. Na semana passada, a revista oficial Physical Review Letters publicou um artigo científico do professor assistente da Universidade da Califórnia, Berkeley, Norman Yao com colegas, no qual ele fornece um diagrama para criar um cristal do tempo e uma técnica de registro estatal específica para este uma nova forma de matéria.

Agora, uma ponte foi construída entre a teoria e a realidade - todos podem repetir o experimento sobre a criação de cristais do tempo, e essa teoria do ganhador do Nobel Wilcek pode ser considerada confirmada experimentalmente.

Em 2012, o excelente físico Frank Wilcek apresentou a hipótese de "cristais do tempo" . Torna-se compreensível se imaginarmos a existência de um cristal no espaço-tempo um pouco, por outro lado, do que isso é aceito. Geralmente, é costume considerar uma estrutura de cristal no espaço, mas Frank Wilcek sugeriu examiná-la também a tempo.

Se você observar os átomos da rede cristalina dessa maneira, ocorrerão algumas vibrações de energia interna em um cristal externo estável. Os cálculos de Wilcek mostraram que os átomos podem formar uma estrutura em repetição constante no tempo, retornando à sua posição original após diferentes intervalos de tempo, quebrando assim a simetria temporal. Acontece que, sem o consumo ou produção de energia, os cristais temporários estarão no "estado fundamental", mas mudam ciclicamente a estrutura, que do ponto de vista da física é definida como movimento perpétuo.

Em setembro de 2016, Chris Monroe criou o primeiro cristal temporário no laboratório da Universidade de Maryland em College Park.. Sua idéia era criar um sistema quântico na forma de um grupo de íons dispostos em um anel. Quando o anel é resfriado, o estado de energia do sistema cai para o nível mínimo, ou seja, o "estado fundamental". Chris Monroe levou íons de itérbio para criar o "estado fundamental" do anel. Ele usou interações quânticas para forçar íons de itérbio a entrar no estado fundamental e, em seguida, corrigir a violação da simetria temporal. Trabalho científico publicado em arXiv.org .

Após o grupo Monroe, um experimento bem-sucedido com a criação de cristais de tempo foi conduzido por colegas da Universidade de Harvard (o principal autor do estudo foi Mikhail Lukin, um funcionário de Harvard), usando uma configuração experimental completamente diferente com centros de vacinação de nitrogênio densamente compactados em diamantes. Eles tambémpublicou seus resultados no arXiv.org . Norman Yao, um representante do Departamento de Física da Universidade da Califórnia, Berkeley, participou dos trabalhos de Harvard.

Norman Yao trabalhou simultaneamente em estreita colaboração com as equipes de pesquisa de Monroe e Lukin, o que lhe permitiu estudar em detalhes as principais propriedades básicas dos cristais de tempo.

Os cristais do tempo repetem periodicamente sua estrutura, porque recebem energia periodicamente do exterior. Segundo o professor Yao, isso pode ser comparado ao movimento de um cubo de geléia que foi sacudido com um dedo. Tendo recebido um efeito energético externo, os cristais do tempo exibem um comportamento extremamente interessante, o que os torna um novo estado de fase da matéria. Essa é uma ampla classe de materiais que não são naturalmente equilibrados .



"Este é definitivamente um novo estado de fase da matéria", diz Norman Yao. - mas é muito legal, porque é um dos primeiros exemplos de matéria sem equilíbrio. Nos últimos meio século, estudamos a matéria de equilíbrio, tanto em metais quanto em dielétrico. Agora estamos começando a estudar um mundo totalmente novo de matéria sem equilíbrio. ”

O próprio Norman Yao mal consegue imaginar onde os cristais do tempo podem ser usados ​​na prática. Outros pesquisadores sugerem que materiais sem equilíbrio com uma repetição cíclica da estrutura no tempo podem se tornar dispositivos de armazenamento quase ideais e encontrarão aplicação em computadores quânticos.


Alterar os parâmetros experimentais pode facilmente derreter um cristal do tempo no estado dielétrico trivial ou aquecê-lo.Ilustração: Norman Yao

Em um artigo científico publicado recentemente, Norman Yao descreve um esquema para a criação de um anel de íons de 10 itérbios, no qual os spins dos elétrons interagem entre si como qubits em computadores quânticos. Para remover íons do equilíbrio, eles são irradiados com um pulso de laser para criar um campo magnético fraco, e o segundo laser desenrola parcialmente os giros dos átomos, repetindo esse efeito muitas vezes. Como os spins interagem entre si, os átomos passam para um padrão de interação repetível que determina a estrutura do cristal. Esse esquema foi usado durante o experimento acima na Universidade de Maryland.

Em um cristal do tempo, os elétrons formam um cristal no tempo, o que não corresponde à simetria dos átomos fixados no espaço. É isso que determina suas propriedades exclusivas.


Universidade de tempo de cristal de Maryland. Ilustração: APS / Alan Stonebraker / Phil Richerme

Outra propriedade incomum desse estado de fase é a resposta à interação com um intervalo que excede o intervalo de interação. Ou seja, o material é irradiado com um laser com um intervalo de T e o material reage com um intervalo de 2T. Essa é uma propriedade extremamente estranha que não é encontrada em materiais comuns. Imagine um cubo de gelatina que começa a flutuar apenas com o segundo clique.

Nos experimentos do grupo de Mikhail Lukin com uma configuração experimental completamente diferente, foi registrado o mesmo fenômeno de violação da simetria temporal - isso prova que o cristal do tempo realmente representa um novo estado de fase da matéria.

O artigo científico foi publicado em 18 de janeiro de 2017 na revista Physical Review Letters (doi: 10.1103 / PhysRevLett.118.030401).

Source: https://habr.com/ru/post/pt401051/