Часы, которые ходят вечно: пространственно-временной кристалл

Исследователи из лаборатории Беркли предложили способ постройки первого пространственно-временного кристалла.

Представьте себе часы, которые показывают точное время всегда, даже после гибели вселенной. Таково феноменальное действие устройства под названием пространственно-временной кристалл, четырехмерного кристалла, обладающего периодической структурой во времени и пространстве. Однако есть также практические и важные научные причины для создания пространственно-временного кристалла. С подобным четырехмерным кристаллом у ученых есть новое и более эффективное средство обучения тому, как сложные физические свойства и поведение проявляются в результате коллективных взаимодействий значительного числа отдельных частиц, так называемая многотельная проблема физики. Пространственно-временной кристалл также может использоваться для исследования явлений в квантовом мире, таких как сцепленность, в которой одна частица воздействует на другую, даже если между ними обширное расстояние.

Пространственно-временной кристалл существует как концепция в умах ученых-теоретиков без серьезной идеи фактического создания. Так было до сих пор. А теперь международная группа ученых во главе с учеными из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли министерства энергетики США предложили экспериментальный проект пространственно-временного кристалла, основанный на ловушке иона электрического поля и кулоновском или электростатическом отталкивании частиц, несущих тот же электрический заряд.

«Электрическое поле ионной ловушки удерживает заряженные частицы на месте, а кулоновское отталкивание заставляет их спонтанно формировать пространственный кольцевой кристалл», сказал исследователь Xiang Zhang. „С применением слабого статического магнитного поля этот ионный кристалл кольцевой формы начинает вращение, которое не останавливается. Постоянное вращение пойманных ионов производит временный порядок, приводящий к формированию пространственно-временного кристалла в самом низком квантовом энергетическом состоянии“.

Поскольку пространственно-временной кристалл уже находится в самом низком квантовом энергетическом состоянии, его временный порядок или хронометрирование теоретически сохранится даже после того, как большая часть вселенной достигнет энтропии, термодинамического равновесия или высокотемпературной гибели.

Концепция кристалла, обладающего дискретным порядком во времени, была предложена ранее в этом году Нобелевским лауреатом по физике Фрэнком Вилчеком из Массачусетского технологического института. Хотя Вилчек математически доказал потенциальную возможность существования пространственно-временного кристалла, как реализовать его физически, оставалось неясным. Zhang с коллегами придумали экспериментальный проект для построения кристалла, который дискретен в пространстве и времени — пространственно-временной кристалл. Результаты опубликованы в издании Physical Review Letters.

Традиционные кристаллы — трехмерные твердые структуры, состоящие из атомов или молекул, соединенных вместе в упорядоченную структуру с повторяющимся расположением составляющих частей. Частые примеры — лед, соль и снежинка. Кристаллизация имеет место, когда из молекулярной системы устранена высокая температура, пока кристалл не достиг своего наиболее низкого энергетического состояния. В определенной точке нарушается непрерывная пространственная симметрия, и кристалл принимает дискретную симметрию, а это значит, что вместо одинаковой во всех направлениях структуры появляется одинаковая структура лишь в нескольких направлениях.

„Значительные успехи были сделаны за прошлые несколько десятилетий в ходе исследования захватывающей физики маломерных кристаллических материалов, таких как двухмерный графен, одномерные нанотрубки или бакиболы с нулевым измерением“, сказал ведущий автор статьи постдокторант Tongcang Li. „Идея создать кристалл с измерениями выше традиционных трехмерных кристаллов является важным концептуальным прорывом в физике, и нам очень приятно первыми возвестить начало способа реализации пространственно-временного кристалла“.

Как и трехмерный кристалл формируется в низкоэнергетическом квантовом состоянии, когда непрерывная пространственная симметрия преобразуется в дискретную симметрию, так и для формирования временного компонента пространственно-временного кристалла ожидается ломка симметрии. Согласно схеме, разработанной учеными, пространственное кольцо пойманных ионов в постоянном вращении будет периодически воспроизводиться со временем, формируя временный аналог обычного пространственного кристалла. С периодической структурой в пространстве и времени в итоге получится пространственно-временной кристалл.

„Хотя пространственно-временной кристалл похож на вечный двигатель и может казаться на первый взгляд неправдоподобным, имейте в виду, что сверхпроводник или даже обычное металлическое кольцо могут поддерживать постоянное электричество в квантовом состоянии при нормальных условиях. Конечно, электроны в металле с нехваткой пространственного порядка не могут использоваться для производства пространственно-временного кристалла“, отметили исследователи.

Ученые подчеркивают, что пространственно-временной кристалл — не вечный двигатель, поскольку в самом низком квантовом энергетическом состоянии вообще не вырабатывается энергия. Однако существует множество научных исследований, для которых такой кристалл просто неоценим.

„Пространственно-временной кристалл является многотельной системой“, сказал Ли. „Он может помочь нам исследовать классические вопросы многотельной физики. Например, как появляется пространственно-временной кристалл? Как нарушается симметрия перевода времени? Что за квазичастицы в пространственно-временных кристаллах? Каковы эффекты дефектов пространственно-временных кристаллов? Исследование таких вопросов значительно поспособствует нашему пониманию естества“.

Еще один соавтор Peng Zhang отметил, что пространственно-временной кристалл может использоваться для сохранения и перемещения квантовой информации через различные вращательные состояния в пространстве и времени. Пространственно-временным кристаллам можно найти аналоги в других физических системах.

„Эти аналоги способны открыть двери совершенно новым технологиям и устройствам для разнообразного применения“, сказал исследователь.

Xiang Zhang верит, что возможно также изготовить пространственно-временной кристалл, используя схему и современные ионные ловушки. Ученые активно ищут сотрудников с надлежащими ионоулавливающими установками и опытом работы в данной научной отрасли.

„Основная проблема — охладить ионное кольцо до основного состояния“, сказал Xiang Zhang. „Это может быть преодолено в ближайшем будущем с развитием технологий ионных ловушек. Поскольку до сих пор не было ни одного пространственно-временного кристалла, большинство его свойств неизвестно — их нам предстоит изучать“.

25.09.2012