Форум
Официально: Кристаллы времени - новое состояние материи, и теперь мы можем создавать их.
Источник
В начале этого года физики создали схему создания и измерения кристаллов времени - странного состояния материи с атомной структурой, которая повторяется не только в пространстве, но и во времени, что позволяет им поддерживать постоянное колебание без энергии.
Две отдельные исследовательские группы сумели создать то, что было очень похоже на кристаллы времени ещё в январе, и теперь оба эксперимента в первый раз прошли успешное рецензирование, поместив феномен "невозможного" прямо в сферу реальности.
"Мы взяли эти теоретические идеи, в которые тыкались последние нескольких лет, и в самом деле построили их в лаборатории"- говорит один из исследователей Эндрю Поттер из Техасского университета в Остине.
"Надеюсь, это только первый пример, и впереди ещё много других".
Кристаллы времени - одна из самых крутых вещей, которые выявила физика в последние месяцы, поскольку они указывают на совершенно новый мир "неуравновешенных" (non-equilibrium) фаз, полностью отличающихся от того, что изучали учёные в прошлом.
На протяжении десятилетий мы изучали материю, такую как металлы и изоляторы, которая определяется как "уравновешенная" - состояние, при котором все атомы материала имеют одинаковое количество тепла.
Теперь выглядит так, что временные кристаллы являются первым примером гипотетического, но неизученного "неуравновешенного" состояния материи, и они могут революционизировать то, как мы храним и передаем информацию через квантовые системы.
"Это показывает, что богатство фаз материи еще шире [чем мы думали]" - сказал Гизмодо физик Норман Яо из Калифорнийского университета, Беркли, опубликовавший схему в январе.
"Одним из святых граалей физики является понимание того, какие типы материи могут существовать в природе. Неуравновешенные фазы представляют собой новый путь, отличный от всего, что мы изучали в прошлом".
Впервые предложенные Нобелевским лауреатом, теоретическим физиком Фрэнком Вилчеком еще в 2012 году, кристаллы времени представляют собой гипотетические структуры, которые, как представляется, двигаются даже в самом низком энергетическом состоянии, известном как основное состояние.
Обычно, когда материал входит в основное состояние - также называемое энергией системы нулевой точки - движение теоретически становится невозможным, поскольку оно требует затрат энергии.
Но Вилчек предвидел объект, могущий достичь вечного движения находясь в основном состоянии путём периодического переключения ориентации атомов снова и снова - из основного состояния, обратно - и наоборот.
Давайте внесём ясность - это не вечный двигатель, потому что в системе есть нулевая энергия. Но гипотеза изначально казалась маловероятной по другой причине.
Она намекнула на систему, которая нарушает один из самых фундаментальных постулатов нашего современного понимания физики - симметрию временного сдвига (time-translation symmetry), которая гласит, что законы физики одинаковы всегда и везде.
Как объясняет Даниэль Оберхаус для сайта Motherboard, симметрия временного сдвига - причина, по которой невозможно подбросить монету один раз и получить вероятность выпадения орла или решки 50/50, а в другой раз, когда вы повернёте её, шансы вдруг стали бы 70/30.
Но некоторые объекты могут нарушить эту симметрию в своём основном состоянии, не нарушая законов физики.
Рассмотрим магнит с северным и южным концами. Неясно, как магнит "решает", какой конец будет северным, а какой южным, но тот факт, что у него есть север и юг, означает, что он не будет выглядеть одинаково с обоих концов - он, естественно, асимметричен.
Другим примером физического объекта с асимметричным основным состоянием является кристалл.
Кристаллы известны своими повторяющимися структурными закономерностями, но атомы внутри них имеют "предпочтительные" позиции внутри решётки. Поэтому в зависимости от того, где вы наблюдаете кристалл в пространстве, он будет выглядеть иначе: законы физики перестают быть симметричными, потому что они не применяются в равной степени ко всем точкам в пространстве.
Имея это в виду, Вилчек предположил, что возможно создать объект, который достигает асимметричного основного состояния не в пространстве, как обычные кристаллы или магниты, но во времени.
Другими словами, могут ли атомы предпочесть разные состояния в различные промежутки времени?
Забегая на несколько лет вперёд, американские и японские исследователи показали, что это возможно, с одной существенной поправкой к предположению Вилчека - для того, чтобы заставить кристаллы времени переключать свои состояния снова и снова, они нуждались бы в периодическом "подталкивании".
В январе этого года Норман Яо описал, как можно построить такую систему, охарактеризовав её Элизабет Гибни в Nature как "более слабый" вид нарушения симметрии, чем предполагал Вилчек.
"Это похоже на игру с подпрыгивающей веревкой, однажды рука поворачивается дважды, но верёвка только один раз" - говорит он, добавив, что в версии Вилчека веревка будет колебаться сама по себе.
"Это менее странно, чем первая идея, но всё-таки чертовски странно".
Две отдельные группы исследователей, одна из Университета штата Мэриленд, а другая - из Гарвардского университета, взяли эту схему и стали работать с ней, создав две разные версии кристалла времени, которые оказались одинаково жизнеспособными.
"Обе системы действительно классные. Они очень разные. Я думаю, что они чрезвычайно взаимодополняющие" - сказал Яо для Гизмодо.
"Я не думаю, что одна лучше другой. Они показывают два разных режима физики: факт, что вы видите подобную феноменологию в самых разных системах, действительно потрясающий".
Описанные в пред-печатных статьях в январе, кристаллы времени Университета штата Мэриленд были созданы размещением паровозиком (conga line) десяти ионов иттербия, всех с с запутанным электронным вращением.
Как сообщала нам Фиона Макдональд в то время:
"Ключом к превращению устройства в кристалл времени было сохранение ионов вне равновесия, и для этого исследователи поочередно ударили их двумя лазерами. Один лазер создал магнитное поле, а второй частично изменил вращение атомов".
Поскольку вращение всех атомов было запутано, они установили стабильную, устойчивую модель вращательного переключения, что определяет кристалл, но он сделал что-то поистине странное, чтобы стать кристаллом времени - модель вращательного переключения в системе повторяется наполовину медленнее лазерных импульсов.
"Разве не было бы очень странно, если бы вы качнули желе, и обнаружили, что кто-то ответил вам через определённый период?" - объяснил Яо.
В Гарвардском кристалле времени использовали алмазы, в которые загрузили такое количество примесей азота, что они стали чёрными.
Вращение этих примесей могло оборачиваться назад и вперёд, подобно вращению ионов иттербия в эксперименте в Мэриленде.
Это был захватывающий момент для физики, но теперь всё стало официальным, поскольку оба эксперимента прошли рецензирование и теперь появляются в отдельных статьях в Nature, здесь и здесь.
И теперь, когда мы знаем, что это существует, пришло время сделать больше и использовать их.
Одним из наиболее перспективных приложений для кристаллов времени является квантовое вычисление - они могут позволить физикам создавать стабильные квантовые системы при гораздо более высоких температурах, чем это возможно достигнуть сейчас, и это может быть нужным нам толчком, чтобы сделать, наконец, квантовые вычисления реальностью.
Мы не можем ждать, чтобы увидеть, куда приведут дальнейшие исследования.
Источник
В начале этого года физики создали схему создания и измерения кристаллов времени - странного состояния материи с атомной структурой, которая повторяется не только в пространстве, но и во времени, что позволяет им поддерживать постоянное колебание без энергии.
Две отдельные исследовательские группы сумели создать то, что было очень похоже на кристаллы времени ещё в январе, и теперь оба эксперимента в первый раз прошли успешное рецензирование, поместив феномен "невозможного" прямо в сферу реальности.
"Мы взяли эти теоретические идеи, в которые тыкались последние нескольких лет, и в самом деле построили их в лаборатории"- говорит один из исследователей Эндрю Поттер из Техасского университета в Остине.
"Надеюсь, это только первый пример, и впереди ещё много других".
Кристаллы времени - одна из самых крутых вещей, которые выявила физика в последние месяцы, поскольку они указывают на совершенно новый мир "неуравновешенных" (non-equilibrium) фаз, полностью отличающихся от того, что изучали учёные в прошлом.
На протяжении десятилетий мы изучали материю, такую как металлы и изоляторы, которая определяется как "уравновешенная" - состояние, при котором все атомы материала имеют одинаковое количество тепла.
Теперь выглядит так, что временные кристаллы являются первым примером гипотетического, но неизученного "неуравновешенного" состояния материи, и они могут революционизировать то, как мы храним и передаем информацию через квантовые системы.
"Это показывает, что богатство фаз материи еще шире [чем мы думали]" - сказал Гизмодо физик Норман Яо из Калифорнийского университета, Беркли, опубликовавший схему в январе.
"Одним из святых граалей физики является понимание того, какие типы материи могут существовать в природе. Неуравновешенные фазы представляют собой новый путь, отличный от всего, что мы изучали в прошлом".
Впервые предложенные Нобелевским лауреатом, теоретическим физиком Фрэнком Вилчеком еще в 2012 году, кристаллы времени представляют собой гипотетические структуры, которые, как представляется, двигаются даже в самом низком энергетическом состоянии, известном как основное состояние.
Обычно, когда материал входит в основное состояние - также называемое энергией системы нулевой точки - движение теоретически становится невозможным, поскольку оно требует затрат энергии.
Но Вилчек предвидел объект, могущий достичь вечного движения находясь в основном состоянии путём периодического переключения ориентации атомов снова и снова - из основного состояния, обратно - и наоборот.
Давайте внесём ясность - это не вечный двигатель, потому что в системе есть нулевая энергия. Но гипотеза изначально казалась маловероятной по другой причине.
Она намекнула на систему, которая нарушает один из самых фундаментальных постулатов нашего современного понимания физики - симметрию временного сдвига (time-translation symmetry), которая гласит, что законы физики одинаковы всегда и везде.
Как объясняет Даниэль Оберхаус для сайта Motherboard, симметрия временного сдвига - причина, по которой невозможно подбросить монету один раз и получить вероятность выпадения орла или решки 50/50, а в другой раз, когда вы повернёте её, шансы вдруг стали бы 70/30.
Но некоторые объекты могут нарушить эту симметрию в своём основном состоянии, не нарушая законов физики.
Рассмотрим магнит с северным и южным концами. Неясно, как магнит "решает", какой конец будет северным, а какой южным, но тот факт, что у него есть север и юг, означает, что он не будет выглядеть одинаково с обоих концов - он, естественно, асимметричен.
Другим примером физического объекта с асимметричным основным состоянием является кристалл.
Кристаллы известны своими повторяющимися структурными закономерностями, но атомы внутри них имеют "предпочтительные" позиции внутри решётки. Поэтому в зависимости от того, где вы наблюдаете кристалл в пространстве, он будет выглядеть иначе: законы физики перестают быть симметричными, потому что они не применяются в равной степени ко всем точкам в пространстве.
Имея это в виду, Вилчек предположил, что возможно создать объект, который достигает асимметричного основного состояния не в пространстве, как обычные кристаллы или магниты, но во времени.
Другими словами, могут ли атомы предпочесть разные состояния в различные промежутки времени?
Забегая на несколько лет вперёд, американские и японские исследователи показали, что это возможно, с одной существенной поправкой к предположению Вилчека - для того, чтобы заставить кристаллы времени переключать свои состояния снова и снова, они нуждались бы в периодическом "подталкивании".
В январе этого года Норман Яо описал, как можно построить такую систему, охарактеризовав её Элизабет Гибни в Nature как "более слабый" вид нарушения симметрии, чем предполагал Вилчек.
"Это похоже на игру с подпрыгивающей веревкой, однажды рука поворачивается дважды, но верёвка только один раз" - говорит он, добавив, что в версии Вилчека веревка будет колебаться сама по себе.
"Это менее странно, чем первая идея, но всё-таки чертовски странно".
Две отдельные группы исследователей, одна из Университета штата Мэриленд, а другая - из Гарвардского университета, взяли эту схему и стали работать с ней, создав две разные версии кристалла времени, которые оказались одинаково жизнеспособными.
"Обе системы действительно классные. Они очень разные. Я думаю, что они чрезвычайно взаимодополняющие" - сказал Яо для Гизмодо.
"Я не думаю, что одна лучше другой. Они показывают два разных режима физики: факт, что вы видите подобную феноменологию в самых разных системах, действительно потрясающий".
Описанные в пред-печатных статьях в январе, кристаллы времени Университета штата Мэриленд были созданы размещением паровозиком (conga line) десяти ионов иттербия, всех с с запутанным электронным вращением.
Как сообщала нам Фиона Макдональд в то время:
"Ключом к превращению устройства в кристалл времени было сохранение ионов вне равновесия, и для этого исследователи поочередно ударили их двумя лазерами. Один лазер создал магнитное поле, а второй частично изменил вращение атомов".
Поскольку вращение всех атомов было запутано, они установили стабильную, устойчивую модель вращательного переключения, что определяет кристалл, но он сделал что-то поистине странное, чтобы стать кристаллом времени - модель вращательного переключения в системе повторяется наполовину медленнее лазерных импульсов.
"Разве не было бы очень странно, если бы вы качнули желе, и обнаружили, что кто-то ответил вам через определённый период?" - объяснил Яо.
В Гарвардском кристалле времени использовали алмазы, в которые загрузили такое количество примесей азота, что они стали чёрными.
Вращение этих примесей могло оборачиваться назад и вперёд, подобно вращению ионов иттербия в эксперименте в Мэриленде.
Это был захватывающий момент для физики, но теперь всё стало официальным, поскольку оба эксперимента прошли рецензирование и теперь появляются в отдельных статьях в Nature, здесь и здесь.
И теперь, когда мы знаем, что это существует, пришло время сделать больше и использовать их.
Одним из наиболее перспективных приложений для кристаллов времени является квантовое вычисление - они могут позволить физикам создавать стабильные квантовые системы при гораздо более высоких температурах, чем это возможно достигнуть сейчас, и это может быть нужным нам толчком, чтобы сделать, наконец, квантовые вычисления реальностью.
Мы не можем ждать, чтобы увидеть, куда приведут дальнейшие исследования.
