Дослідники підтвердили існування нової форми матерії – часових кристалів

Фізики повторно налаштували групу іонів, щоби створити перший зразок неврівноваженої матерії.

Для більшості з нас кристали асоціюються лише з блискучим дорогоцінним камінням, на кшталт алмазів, або з напівдорогоцінними камінцями, які дуже полюбляють ювеліри та колекціонери. Але для фізика Нормана Яо це лише вершина айсберга.

Кристали у просторі та часі

Подумайте ось, про що. Коли кристали мають атомну структуру, яка повторюється у просторі (згадаймо кристалічну ґратку вуглецю в алмазі), чому вони не можуть мати структуру, яка б повторювалася у часі? Це був би часовий кристал?

У роботі, опублікованій у журналі Physical Review Letters, доцент кафедри фізики у Берклі детально пояснив, як створити та виміряти характеристики таких кристалів. Дослідник навіть взявся спрогнозувати можливі фазові стани матерії, яка може межувати з часовими кристалами, –  схожа на рідину або газоподібний стан льоду.

Захоплені іони
Одномірні ланцюжки іонів ітербію були перетворені у часовий кристал фізиками з Мерілендського університету. Кожен іон проявляє себе як спін електрона та взаємодіє на відстані з іншими, як вказано стрілками. Джерело: Chris Monroe / UC Berkley

Часові кристали – реальні

Виявилось, що часові кристали це не вигадка і не спекуляція. Дві групи дослідників наслідували методику пана Яо та створили перші в історії часові кристали.

Обидві команди, з Мерілендського університету та Гарварда, використали дві відмінні одна від одної установки та повідомили про свій успіх минулого року.

За словами Яо, співавтора обох досліджень, часові кристали повторюються у часі, оскільки вони періодично збуджуються. Це можна порівняти з періодичними дотиками до желе, яке починає тремтіти. Він вважає, що найбільший прорив полягає навіть не в тому, що ці кристали повторюються у часі, – вони є першими представниками нового широкого класу матеріалів, які постійно залишаються внутрішньо неврівноваженими. Вони не здатні повернутися до нерухомого та збалансованого стану, як алмаз чи рубін.

“Це нова фаза матерії, період, але це також дуже класно, адже вона є однією з перших зразків неврівноваженої матерії,”

– пояснив Яо –

“Впродовж останньої половини століття ми продовжували вивчати врівноважену матерію, таку як метали та ізолятори. Лише зараз ми починаємо досліджувати цілком новий ландшафт неврівноваженої матерії.”

Сам Яо поки що не береться прогнозувати можливі галузі застосування часових кристалів. Але його колеги припускають, що вони можуть стати невіддільною частиною квантових комп’ютерів та “ідеальної пам’яті”.

Ітербієвий ланцюг

Кріс Монро та його колеги з Мерілендського університету використали ланцюжок з 10 іонізованих атомів ітербію. Кожен іон мав свій спін, квантову характеристику, яка визначається цілим або дробним числом та напрямком, через які вони взаємодіяли між собою, наче кубіти у елементарному квантовому комп’ютері.

Хитрість полягала у тому, аби вивести ці іони з рівноваги. Для цього дослідники використали два лазери: один створив магнітне поле, а другий – розвернув спіни у частини іонів ланцюжка. Оскільки спіни іонів були сплутаними, атоми врівноважено розподілилися з повторюваним візерунком спінів, який визначає кристал.

Це було нормальним станом, але, щоби стати часовим кристалом, у ньому мала зруйнуватись часова симетрія. І коли дослідники придивились до ланцюжка, вони помітили у його поведінці дещо дивне. Лазери, яки перевертали спіни атомів ітербію, викликали коливання з періодом, який у двічі перевищував період, який задавали самі лазери.

“Чи не здалось би це вам дуже дивним, якби ви штовхали желе і з’ясували, що якимось чином воно відповідає з іншим періодом?”

зазначає Яо, –

“Але це і є суть часового кристала. У вас є певний генератор періоду “T”, але система якось синхронізується так, що ви спостерігаєте її коливання з періодом, який перевищує “T”.”

Дослідники також з’ясували, що зміни у зовнішньому магнітному полі та пульсації лазера можуть змінити фазовий стан часового кристала так само, як лід перетворюється на воду.

У Гарвардському університеті вдались до іншого підходу, інтегрувавши щільно упаковані вакантні центри азоту у кристалічну ґратку алмазів, але отримали такий самий результат.

Від теорії до реальності

Вперше існування часових кристалів передбачив американський фізик та лауреат Нобелівської премії Френк Вільчек у 2012 році. Вчений описав можливі кристалічні структури, які могли знаходитись у русі навіть у стаціонарному стані з найменшою енергією.

Зазвичай, якщо матерія знаходиться у стаціонарному стані з найменшою енергією, або у стані нульової енергії, будь-який теоретичний рух має бути унеможливлений, оскільки для нього було б необхідно витратити якусь енергію.

Проте Вільчек припустив, що часові кристали можуть вийти за це обмеження та порушити часову симетрію.

І нові експерименти підтвердили їхнє існування, створивши відповідні умови у лабораторії.

“Такі подібні результати, отримані у двох сильно відмінних системах, свідчать про те, що часові кристали є новою широкою фазою матерії, а не лише цікавим об’єктом у малих та вузькоспеціалізованих системах,”

– стверджує фізик Філ Ріш’єрме з Університету Індіани, який не брав участі у дослідження, але ознайомився з роботою.

Тим часом, Яо та інші фізики продовжують роботу з часовими кристалами, вивчаючи нові теоретично можливі форми неврівноваженої матерії, яка вже показала себе у нашому світі.

Phys. Rev. Lett. (2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.118.030401

Сподобалась стаття? Придбайте нам , а ми напишемо ще.
Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або
Валентин Солонечний
  • 52 записів
  • 0 дописів
Засновник Science Ukraine, науковий журналіст та популяризатор науки. Слідкує за розвитком гравітаційної астрономії, ДНК-медицини та термоядерного синтезу. Підтримує позитивізм та гуманне ставлення до природи.