Эксперимент в Дортмунде открывает новые горизонты в понимании пространства и времени.
Физики из Университета Дортмунда установили новый рекорд в исследовании темпоральных кристаллов , создав такой, который просуществовал как минимум 40 минут – в 10 миллионов раз дольше, чем предыдущий рекорд.
Пространственные кристаллы очень распространены и обладают замечательными свойствами, такими как симметрия, стабильность и красота. Они также применяются во многих технологических приложениях, включая электронику, оптику и датчики.
Что такое темпоральные кристаллы?
Представьте себе кристалл, который имеет не только регулярный узор в пространстве, но и во времени. Кристалл, который ритмично изменяет свои физические свойства без внешнего воздействия. Кристалл, который бросает вызов законам термодинамики и остается в вечном движении. Это концепция временного кристалла, теоретическая форма материи, впервые предложенная лауреатом Нобелевской премии Франком Вильчеком в 2012 году. Вильчек, физик из Массачусетского технологического института (MIT), задавался вопросом, может ли существовать аналог пространственных кристаллов, состоящих из атомов, расположенных в повторяющейся решетке.
Временные кристаллы, с другой стороны, гораздо более уклончивы и экзотичны. Для их создания потребуется система, нарушающая симметрию временного перевода, то есть ее поведение не одинаково в разные моменты. Например, маятник, который качается быстрее и медленнее без видимой причины, или магнит, который регулярно меняет свою полярность.
Такая система также нарушала бы второй закон термодинамики, согласно которому энтропия, или беспорядок, всегда увеличивается в замкнутой системе. темпоральных кристалл мог бы поддерживать свой порядок и периодичность неограниченно долго, не теряя энергии или тепла в окружающую среду.
Как можно создать темпоральные кристаллы?
Идея темпоральных кристаллов вызвала много споров и скепсиса, поскольку многие физики ставили под сомнение возможность наблюдения такого феномена. Некоторые даже утверждали, что это невозможно или потребует настройки параметров до нереалистичной степени.
Однако за последние несколько лет несколько экспериментов показали, что темпоральные кристаллы возможны, по крайней мере в модифицированном смысле. Эти эксперименты включали системы, которые не были изолированы, а скорее управлялись внешней силой с определенной частотой, такой как лазер или магнитное поле.
К удивлению, данные системы демонстрировали ответную реакцию на другой частоте, часто в два раза ниже, что создавало заметное расхождение между исходящим и входящим сигналами. Это свидетельствовало о спонтанном возникновении нарушения временной симметрии в системах, что и обусловило уникальное поведение темпорального кристалла.
Первые экспериментальные доказательства этого явления были зарегистрированы в 2017 году с использованием двух платформ: цепочки захваченных ионов и алмаза с центрами вакансии азота. Обе системы проявляли признаки темпорального кристалла под воздействием периодической движущей силы.
Однако эти системы всё ещё не соответствовали изначальной идее Вильчека. Он представлял темпоральный кристалл, существующий в равновесии без каких-либо внешних возмущений. Такая система, подобно пространственному кристаллу, была бы по-настоящему автономной и самоподдерживающейся.
Наиболее близкое приближение к этому сценарию было достигнуто в 2022 году с использованием конденсата Бозе-Эйнштейна, состояния вещества, в котором многие атомы ведут себя как единое квантовое существо. Исследователи создали темпоральный кристалл, который колебался независимо без какой-либо временной модуляции, применяя постоянное магнитное поле.
Однако кристалл был недолговечен, просуществовав всего несколько миллисекунд, прежде чем рухнуть.
Прорыв в исследовании темпоральный кристаллов
Теперь команда физиков из Университета Дортмунда в Германии совершила прорыв в исследовании темпоральных кристаллов. Они создали кристалл, который просуществовал как минимум 40 минут, в 10 миллионов раз дольше, чем предыдущий рекорд.
Команда, возглавляемая доктором Алексом Грейлихом, использовала специальный кристалл, сделанный из арсенида индия-галлия , в котором ядерные спины действовали как резервуар для временного кристалла. Лазер непрерывно освещал кристалл, так что ядерная спиновая поляризация формировалась через взаимодействие с электронными спинами.
Эта ядерная спиновая поляризация спонтанно генерировала колебания, эквивалентные темпоральному кристаллу. Команда могла контролировать частоту и амплитуду этих колебаний, изменяя мощность лазера и магнитное поле.
Команда также исследовала регионы, где темпоральный кристалл «таял», то есть терял свою периодичность. Они обнаружили, что эти регионы проявляли хаотическое поведение, которое можно было анализировать с помощью теоретических инструментов. Это был первый раз, когда такие инструменты применялись для изучения динамики темпоральных кристаллов.
Результаты команды, опубликованные в журнале Nature Physics, подтвердили существование и устойчивость темпоральных кристаллов и открыли новые пути для дальнейших исследований. Темпоральные кристаллы могут иметь потенциальное применение в квантовых вычислениях, квантовой метрологии и квантовой информатике, а также фундаментальные последствия для нашего понимания физики.
