«Переводы»: Новое состояние вещества. Что такое временные кристаллы?

В начале этого года физики составили предварительную программу по созданию и измерению временных кристаллов – странного состояния вещества, характеризующегося тем, что атомная структура повторяется не только в пространстве, но и во времени, что позволяет им поддерживать постоянную осцилляцию (колебание) без затраты энергии.

Две независимых группы исследователей смогли создать что-то, что было до жути похоже на временные кристаллы еще в январе, но рецензирование оба эксперимента прошли относительно недавно, что позволило официально ввести «невозможное» явление в царство физической реальности.

«Мы взяли теоретические идеи, которые мы крутили и так, и этак в течение пары лет, и, на самом деле, создали эти кристаллы в лаборатории», говорит один из исследователей, Эндрю Поттер (Andrew Potter) из Техасского университета, г. Остин, и добавляет: «Надеемся, что это всего лишь первый образец и их будет еще много».

Временные кристаллы – это одна из самых захватывающих новостей, которыми физики порадовали мир за последние месяцы. Дело в том, что кристаллы указывают на наличие целого мира «неравновесных» фаз, кардинально отличающегося от всего, что ученые исследовали раньше.

В течение десятилетий ученые изучали вещества, такие как металлы и диэлектрики, которые определяются тем, что находятся в состоянии «равновесия», то есть в состоянии, при котором все атомы в материале имеют то же количество тепла.Теперь, похоже, временные кристаллы станут первым примером неравновесного состояния вещества, существование которого было предсказано теоретически, но еще не было исследовано на практике.

К тому же они могут приблизить революцию в способе хранения и передачи информации через квантовые системы. «Это показывает, что разнообразие состояний вещества еще шире (чем мы думали)», в интервью Gizmodo сказал физик Норман Яо (Norman Yao) из Калифорнийского университета, Беркли, который опубликовал программу по созданию временных кристаллов еще в январе.

«Одним из священных Граалей физики является понимание, какие типы вещества могут существовать в природе. Неравновесные фазы представляют собой новый путь, отличный от всех тех явлений, которые мы изучали в прошлом».

Временные кристаллы, существование которых впервые предположил лауреат Нобелевской премии, физик-теоретик, Фрэнк Вильчек, это гипотетические структуры, пребывающие в движении даже на самом низком энергетическом уровне, известном также как «основной уровень» (ground state). Обычно, когда материал входит в свое основное состояние – также называемое нулевой точкой энергии системы – движение, теоретически, должно быть невозможно, так как оно требует затраты энергии.

Но Вильчек создал в своем воображении объект, который мог достичь постоянного движения, изначально пребывая в основном состоянии, снова и снова периодически изменяя расположение атомов в кристаллической решетке, то есть, как бы выходя из основного состояния и возвращаясь в него.

Однако, давайте проясним ситуацию – это не вечный двигатель, так как общее количество энергии системы равно нулю. Но эта гипотеза казалась изначально неправдоподобной по другой причине. Она предполагала наличие системы, которая нарушает самое фундаментальное положение современной физики – симметрию относительно сдвига во времени, которое гласит, что законы физики одинаковы везде и всегда.

Как объяснил Дэниэль Оберхаус (Daniel Oberhaus) в интервью Motherboard, симметрия относительно сдвига во времени является причиной того, что невозможно подбросить монетку один раз таким образом, чтобы возможность выпадения «орла» и «решки» была бы 50/50, но в следующий раз, когда вы подбрасываете монетку, вероятность, внезапно, составляет 70/30.

И все же некоторые объекты способны нарушать эту симметрию, находясь в своем основном состоянии, при этом не нарушая законы физики. Представьте себе магнит с северным и южным полюсом. Неясно, как магнит «решает», какой полюс у него северный или южный, но факт того, что у него есть эти полюса, северный и южный, подразумевает, что он не будет выглядеть одинаково с обоих концов – он от природы ассиметричен.

Другим примером физического объекта с ассиметричным основным состоянием является кристалл. Кристаллы известны своими повторяющимися структурными паттернами, но атомы внутри них имеют свои «предпочтительные» позиции в решетке. Таким образом, в зависимости от того, с какой точки вы рассматриваете кристалл в пространстве, он выглядит различно – законы физики больше не симметричны, потому что они неприменимы равным образом ко всем точкам в пространстве.

Держа это в уме, Вильчек предположил, что возможно создать объект, который достигает ассиметричного основного состояния не в пространстве, как обычные кристаллы или магниты, а во времени. Что пораждает логичный вопрос, могут ли атомы «предпочитать» разные состояния в течение разных промежутков времени?

Спустя несколько лет американские и японские исследователи показали, что это возможно, но при этом в предположение Вильчека было внесено значительное изменение: чтобы кристаллы снова и снова сменяли свои состояния, им иногда нужно давать «толчок».

В январе этого года, Норман Яо (Norman Yao), в своем интервью Элизабет Гибни для журнала «Nature», описал, как можно построить такие системы, при этом используя более «слабый» вид нарушения симметрии, чем тот, который предполагал Вильчек.

«Это как прыжки на скакалке, когда, каким-то образом, мы вращаем руки два раза, но скакалка вращается только один раз», говорит он, добавляя, что, в версии в Вильчека, скакалка двигалась бы вовсе сама по себе – «Это звучит уже менее странно, чем изначальная идея, но, все еще, чертовски странно».

Две независимых группы исследователей, одна от Университета штата Мэриленд, другая – от Гарвардского Университета, взяли на вооружение эту идею и воплотили ее в жизнь, создав две разные версии временного кристалла, которые оказались одинаково жизнеспособными.

«Обе системы очень впечатляют (в оригинале: «really cool»). Они очень сильно отличаются. Думаю, они, в высшей степени, дополняют друг друга», сказал Яо в интервью Gizmodo – «Я не думаю, что одна из них лучше другой. Они относятся в двум разным физическим условиям. Тот факт, что мы наблюдаем сходную феноменологию в двух очень разных системах, по-настоящему захватывает дух».

Как описано в препринте, вышедшем в январе 2017 года, временные кристаллы, созданные группой из Университета Мэриленд, были сконструированы в виде «паровозика» из 10 атомов иттербия, у всех этих атомов был «спутанные» спины электронов.

Крис Монро, Университет штата Мэриленд

«Ключевым условием, необходимым для обращения данной конструкции во временной кристалл, было поддержание ионов в неравновесном состоянии, для этого исследователи попеременно подвергали их воздействию лазеров. Один из лазеров создавал магнитное поле, а второй лазер – частично изменял спины атомов» – рассказала Фиона МакДональд, в одном из своих предыдущих интервью Science Alert.

Так как спины атомов были «спутанными», атомы сформировали стабильный, повторяющийся паттерн смены спина, который определяет кристалл. Параллельно с формированием повторяющегося паттерна происходило что-то на самом деле странное, но одновременно необходимое, чтобы превратить данную структуру во временной кристалл – паттерн изменения спинов в системе повторялся только наполовину так часто, как импульсы лазеров. «Это, как если бы вы потрясли желе и обнаружили бы, что его ответные колебания были бы с другим периодом, чем изначальные, не правда ли, это было бы крайне странно?» говорит Яо. Что касается, гарвардских временных кристаллов, то они были созданы на основе алмазов, загрязненных азотом, которые по этой причине выглядели полностью черными.

Гарвардский алмаз. Credit: Georg Kucsko

Спин данных примесей также периодически сменялся и возвращался к изначальному состоянию, как и спин ионов иттербия в рамках эксперимента Университета Мэриленда. Это был очень волнительный момент для физики, но теперь все действительно официально, потому что оба эксперимента прошли рецензирование, а результаты опубликованы в двух разных статьях в журнале «Nature».

Теперь, когда стало известно, что такое явление существует, необходимо придумать способы его использования. Одним из наиболее многообещающих применений временных кристаллов являются квантовые вычисления – они могут помочь физикам создать стабильные квантовые системы, работающие при значительно более высоких температурах, чем существующие на сегодняшний день, то есть, это может стать тем толчком, который сделает квантовые компьютеры повседневной реальностью.

Даже люди, далекие от науки, могут почувствовать потенциал новой технологии. Интересно, что она нам принесет?

Оригинал статьи