Постоянно в движение, без да изразходвате енергия
В продължение на няколко месеца се говори, че изследователите успяват да създадат времеви кристали - странни кристали, чиято атомна структура се повтаря не само в пространството, но и във времето, което означава, че те се движат непрекъснато, без да харчат енергия.
Сега това е официално потвърдено: Изследователите едва наскоро разкриха подробно как да създават и измерват тези странни кристали. И две независими групи учени твърдят, че всъщност са успели да създадат времеви кристали в лабораторията, използвайки предоставените инструкции, като по този начин потвърждават съществуването на напълно нов тип материя.
Откритието може да изглежда напълно абстрактно, но предвещава началото на нова ера във физиката, защото в продължение на много десетилетия ние изучавахме само материя, която по дефиниция беше „в равновесие“: метали и изолатори.
Но имаше внушения за съществуването във Вселената на различни странни видове материя, които не са в равновесие и които ние дори не сме започнали да изучаваме, включително времеви кристали. Вече знаем, че това не е измислица.
Самият факт, че сега имаме първия пример за "неравновесна" материя, може да доведе до пробив в нашето разбиране за света около нас, както и за технологии като квантовите изчисления.
„Това е нов вид материя, период. Но също така е готино, че това е един от първите случаи на „неравновесна материя“, казва водещият изследовател Норман Яо от Калифорнийския университет в Бъркли.
„През цялата втора половина на миналия век изучаваме материята в равновесие, като метали и изолатори. И едва сега сме стъпили на територията на "неравновесната" материя."
Промоционално видео:
Но нека да спрем и да погледнем назад, концепцията за времените кристали съществува от няколко години.
Те бяха предсказани за първи път от теоретика по физика на Нобеловия лауреат Франк Уилчек през 2012 г. Временните кристали са структури, които изглежда са в движение дори при най-малкото енергийно ниво, известно като основно състояние или състояние на покой.
Обикновено, ако материята е в основно състояние, известно още като състояние на нулева енергия на системата, това означава, че движението е теоретично невъзможно, тъй като изисква енергия.
Но Вилчек твърди, че това не се отнася за кристалите на времето.
В обикновените кристали атомната решетка се повтаря в пространството, точно като въглеродната решетка на диаманта. Но, като рубин или изумруд, те не се движат, защото са в равновесие в основното си състояние.
А във времевите кристали структурата също се повтаря във времето, не само в пространството. И затова те са в движение в основното състояние.
Представете си желе. Ако го пъхате с пръст, той ще започне да вибрира. Същото се случва в кристалите на времето, но голямата разлика е, че не се нуждаят от енергия за движение.
Времевият кристал е като постоянно вибриращо желе в обичайното си, основно състояние и именно това го прави нов тип материя - „неравновесна“материя. Което просто не може да седи неподвижно.
Но едно е да се предвиди съществуването на такива кристали и съвсем друго всъщност да се създадат такива, което се случи в последните изследвания.
Яо и неговият екип създадоха подробна схема, в която подробно описаха как да създават и измерват характеристиките на времеви кристал и дори да прогнозират какви трябва да бъдат различните фази около времевия кристал, с други думи, описаха еквивалентите на твърди, течни и газообразни състояния на нов тип материя.
Яо нарече статията, публикувана в Physical Review Letters, „мост между теоретичната идея и експерименталното изпълнение“.
И това изобщо не е спекулация. Следвайки инструкциите на Яо, две независими групи - едната от университета в Мериленд, а другата от Харвард - успяха да създадат свои собствени кристали за време.
Резултатите от двете проучвания бяха обявени в края на миналата година на arXiv.org (тук и тук) и бяха изпратени в рецензирани списания за публикуване. Яо е съавтор на двете статии.
Докато чакаме публикации, си струва да останем скептични към изявленията. Но самият факт, че две независими групи успяват да създадат времеви кристали, използвайки една и съща схема при напълно различни условия, звучи обещаващо.
В Университета в Мериленд, времеви кристали са създадени от верига от 10 йтербиеви йони, всички с оплетени електронни завъртания.
Ключът за превръщането на тази основа в кристал на времето беше да се запазят йоните в неравновесие и за да се направи това, те бяха удряни на свой ред от два лазера. Единият лазер създава магнитно поле, вторият лазер частично развива завъртанията на атомите.
Тъй като завъртанията на атомите първоначално са били заплетени, те скоро са навлезли в стабилния, повтарящ се модел на въртене, който определя кристала.
Това беше нормално, но за да се превърне в кристал на времето, системата трябваше да наруши симетрията във времето. Докато наблюдават веригата от атоми на итербий, изследователите забелязват нещо необичайно.
Два лазера, периодично поразяващи атомите на итербий, причиняват повторение в системата с период, два пъти по-дълъг от периода на „шоковете“, което е точно това, което не може да се случи в нормална система.
„Не би ли било много странно, ако пукнете желе и откриете, че реагира на него в различни времеви периоди?“- обяснява Яо.
„Но това е природата на времевия кристал. Имате някакъв патоген с период на Т, но системата по някакъв начин е синхронизирана и вие наблюдавате нейното движение с период, надвишаващ Т."
В зависимост от магнитното поле и пулсацията на лазера, времевият кристал може след това да промени фазата си, като топящ се куб.
Кристал от Харвард беше различен. Изследователите са го създали, използвайки плътни азотни вакантни центрове в диаманта, но те са стигнали до същия резултат.
„Тези подобни резултати от две много различни системи потвърждават, че кристалите във времето са широко разпространена форма на материята, а не някаква любопитна характеристика, която се наблюдава само в малка, специална система“, обяснява Фил Рифермей от университета в Индиана в свързано проучване. работна бележка, той не участва в проучването, но прегледа статията.
"Наблюдението на този монокристал от времето … потвърждава, че нарушаването на симетрията може да се случи във всички области на природата и това отваря нови области за изследване."
Диаграмата на Яо беше публикувана в „Физически рецензионни писма“и тук можете да прочетете харвардска хартия за времеви кристали, а тук - Университет в Мериленд.