"Преводи": ново състояние на веществото. Какви са временните кристали? "Времевите кристали" могат да превърнат теоретичната физика от HyperStuy

Крис Монро работи с йонна капан с подобен дизайн (източник: Hartmut Häffner)

През 2012 г. лауреатът на Нобелова награда във физиката Франк Вилчек предложи необичайна идея. Той предложи (и се опита да докаже) възможността за съществуването на "кристали на време". Такива структури, според физиката, получават енергия за тяхното движение от прекъсването във времето симетрия. Rift, според Вилчек, е конкретна форма на вечно движение.

Съвременните физици се интересуват не само от анизотропия на кристалите, но и тяхната симетрия. Що се отнася до симетрия, тя се проявява не само в тяхната структура и свойства в реално триизмерно пространство, но и в описването на енергийния спектър на кристалните електрони, анализ на рентгенови дифракционни процеси, неутронна дифракция и дифракция на електрон в кристалите Обратното пространство и т.н. Що се отнася до "времевите кристали", тук учените предполагат, че кристалите са симетрични във времето.

Уилчек говори за това възможно явление през 2010 г.: "Постоянно мислех за класификацията на кристалите, а след това си мислех, че можете да си представите пространството-време от тази гледна точка. Това означава, че ако мислим за кристали в пространството, ще бъде логично да представяме кристални структури във времето. " В кристалите атомите заемат стабилна позиция в решетката. И тъй като стабилните обекти остават непроменени с течение на времето, тогава има възможност атомите да образуват постоянно повтаряща се решетка с течение на времето. В началната позиция те се връщат чрез дискретен интервал, нарушават временната симетрия. Ако кристалът не консумира и не произвежда енергия, тогава такива временни кристали са стабилни, които са в "основното състояние". В същото време в кристалната структура се появяват циклични промени, които от гледна точка на физиката могат да се считат за вечно движение.

Много физици имат съмнения относно собствения капитал на хипотезата за възможността за съществуване на временни кристали. Но тези учени, които са приели, започнаха да търсят начини да проверят справедливостта на предположенията на Уилчек. И намерени.

Крис Монро от Мерилендския университет в колежа-парк за първи път създава временен кристал в лабораторията си. Идеята му беше да създаде квантова система под формата на група йони. Когато охлажда пръстена, според Монро (и други учени), енергийното състояние на цялата система ще намалее до минималното ниво. С други думи, в такива условия системата отива в фазата "основна държава". Ако временната симетрия е счупена, пръстенът трябва да се промени с течение на времето. С други думи, завъртете. Разбира се, е невъзможно да се извлече енергията на това движение, тъй като това противоречи на закона за запазване на енергията.

Всичко това е теорията. На практика е по-трудно да се приложи тази идея. На намерението да се създаде пръстен от йони и да се провери справедливостта на хипотезата за временни кристали преди няколко години, съобщават учените от Бъркли. Планираха да въведат стотици калциеви йони в малка камера. Тази камера трябва да бъде заобиколена от електроди и да включи тока. Полученото електрическо поле ви позволява да управлявате йони в камерата с дебелина приблизително 100 микрона. След това е необходимо да се "калибрира" частици за подравняване на нивото. Йони, които се отдръпват един от друг, биха образували кристален пръстен, като тролинг равномерно при външния ръб на камерата.

Предполага се, че йоните в такъв капан ще бъдат в възбудено състояние, но с помощта на лазер, тяхната кинетична енергия постепенно ще намали. Според плана, температурата на системата трябва да бъде доведена до 1 милиард степени над нула. След като системата достигне земното състояние, учените планират да включват статично магнитно поле. Това поле, ако хипотезата за временни кристали е правилна, трябваше да принуди йоните да се въртят. След връщането на йони до началната точка в рамките на определен период от време, учените ще записват нарушаването на временната симетрия.

Монро отиде по подобен начин, само за създаването на пръстена, той използва не калиеви йони, но йони на Ytterbia. Сложността при прилагането на идеята е, че съществуването на частица в определено време не е възможно да се предскаже съществуването. Вярно е, благодарение на локализацията на Андерсън, има изключение в това правило, което може да се използва. Локализацията на Андерсън е феномен, произтичащ от разпространението на вълни в среда с пространствени хетерогенни и се състои от факта, че поради множествено разсейване на хетерогенност и интерференция на разпръснатите вълни става невъзможно да се разпространи обширните вълни; Ослеплите се придобиват естеството на постоянната вълна, концентрирана (локализирана) в ограничена площ на пространството.

Сравнително наскоро физиката изследва групите квантови частици взаимодействат помежду си по такъв начин, че това взаимодействие да ги принуди да ги локализира. MONROE успя да използва резултатите от това изследване, за да принуди Етербиа йони да поемат определени места в определено време. В резултат на това е създаден временният кристал, а екипът на Монро е доказал възможността за нарушения на симетрията на времето. При изучаване на свойствата на временния кристал се оказа, че значителна промяна в честотата на възбуждане на йони причинява кристал до "стопилка". Според учените, създаването на временен кристал отваря достатъчно възможности за квантово изчисление. Например, на базата на временни кристали, можете да създадете надеждна квантова памет.

Вярно е, че работата на Монро и колеги все още изисква проверка. Други екипи от физици планират да проверят естеството на ефекта на временните кристали, повтаряйки експеримента. Ако успее, хипотезата на Франк Уилчек ще стане теория, а квантовата физика ще получи стимул за по-нататъшно развитие.

През 2012 г. лауреатът на Нобелова награда във физика Франк Уилчек предложи съществуването на нов тип кристал. Въпреки че повечето от кристалите имат структура, която се повтаря в две или три измерения, Уичков представи концепцията за кристал, чиято структура е възпроизведена четири пъти: три от тях съответстват на измерванията на пространството и четвъртото измерване на времето. Той нарича тази хипотетична структура на "времевия кристал" и едва миналата година учените успяха да разберат как да ги синтезират в лабораторни условия.

Кристали от време

Наскоро публикуваните проучвания показват, че известните времеви кристали съществуват не само като продукт на лабораторните дейности на учените. Оказа се, че такива структури могат да бъдат оформени в естествена среда, докато самият процес е много по-лесен от представянето на експертите. Защото човечеството, това е голям късмет: кристалите на Willchek могат да бъдат използвани за практически цели, например, за да се създадат ултраобразни атомни часове, нови генерирани жирос и други устройства.

Времевите кристали показват много странна активност под влиянието на електромагнитни вълни. В такъв кристал всички молекули се въртят в определена посока и се променя с всеки нов UM импулс. Но дори ако импулсите са несистематични символ, посоката на въртене все още се променя на редовни интервали, благодарение на която могат да се използват времевите кристали като измерване на интервали от време, т.е. като универсален часовник.

"Може дори да направи дете"

Миналата година изследователите установиха как да се създадат тези кристали в лабораторията, като се използва доста сложна техника, включително излагане на точкови лазери за набор от йтербий атоми. Но новата работа на физиците от университета в университета в Йейл доказа, че синтеза на кристалите на времето са толкова прости, че детето може буквално да направи това. Те открили, че временните кристали са оформени в обикновените мономониеви фосфатни кристали, които често се използват в комплектите "млади химик" и други образователни играчки, благодарение на които можете да отглеждате красив кристал у дома. Теоретично, във всяка такава структура, кристалите на Уилчек могат да бъдат скрити. Шон Барет, автор на изследването, отбелязва, че е само в ръка на физиците, защото по-евтиният и по-лесен процесът е по-лесен за изучаване. Сега те трябва да се справят с механизма на синтез на времеви кристали във всички детайли и да определят точно как могат да бъдат използвани в полза на технологичния прогрес.

Наскоро група американски физици успяха да изградят така наречения "кристал на време" - структурата, необходимостта от която се предвижда дълго време.

Характеристиката на кристала е способността периодично да става асиметрична не само в пространството, но и във времето. Ето защо, от него можете да направите топ хронометър.

Кристалите обикновено са много парадоксално образование. Вземете поне връзката си със симетрия: както знаем, самата кристал, съдейки по външния си вид, може да се счита за проба от пространствена симетрия. Въпреки това процесът на кристализация не е нищо друго освен злонамерено нарушение.

Това много добре илюстрира пример за образуването на кристали в разтвор, например, някои соли. Ако анализирате този процес от самото начало, ще се види, че в разтвора на частиците са хаотични и цялата система е на минималното енергийно ниво. Взаимодействията между частиците обаче са симетрични за оборотите и смените. Въпреки това, след кристализираната течност се случва държава, в която и двете тези симетрии се оказват нарушени.

по някакъв начин може да се заключи, че взаимодействието между частиците в получения кристал изобщо не е симетрично. От това съществуват редица най-важните свойства на кристалите - например, тези структури, за разлика от течността или газа, се извършват по различен начин с електрически ток или топлина в различни посоки (могат да се извършват на север, и naugh - не). Във физиката този имот се нарича анизотропи. Тази кристална анизотропи отдавна се използва от човек в различни индустрии, например в електрониката.

Друга интересна особеност на кристалите е, че като система е винаги на минималното енергийно ниво. Коя е най-любопитната, тя е много по-ниска от, например, в решение, което "порази" кристал. Може да се каже, че за да се получат тези структури, трябва да "извадите" енергията от субстрата на източника.

Така че, когато се образува кристалът, настъпва енергийното ниво на системата и нарушаването на първоначалната пространствена симетрия. Не толкова отдавна, две физика от САЩ, Ал Шарър и Франк Уилчек (между другото, Нобеловият лауреат), мислеха, че е възможно, ако съществуването на така нареченото "четириизмерно" кристал е възможно, където ще бъде прекъсването на симетрията не са се случили не само в пространството, но и навреме.

С помощта на сложни математически изчисления учените успяха да докажат, че това е напълно възможно. В резултат на това беше получено съществуваща система, както и истински кристал, на минималното енергийно ниво. Но най-интересното е, че това се дължи на образуването на определени периодични структури, а не в пространството, и навреме ще стигне до асиметрично крайно състояние. Авторите на работата, наречени такава система много тържествено - "време кристал".

След известно време група експериментални физици, водени от професор Джанг Сиан от Калифорнийския университет (САЩ), реши да създаде такава система, която вече не е на хартия, но в действителност. Учените са създали облака на берилиевите йони, след което "заключена" тя в кръгово електромагнитно поле. Тъй като електростатичното отблъскване на еднакво заредени йони един от друг ги принуждава да бъдат разпределени в кръг равномерно, изследователите, всъщност, получат газообразен кристал. И докато полевите характеристики бяха непроменени, състоянието на системата, на теория, също не трябва да се променя.

В същото време изчисленията и след това наблюденията показват, че това е най-йонният пръстен, който няма да бъде фиксиран. Кристалният газообразен непрекъснато се върти и взаимодействието на йони е симетрично, тогава не. Всичко това се наблюдава дори когато кристалът се охлажда почти до абсолютна нула. Така тази структура наистина е "времев кристал": показва свойствата на честотата и асиметрията както в пространството, така и във времето.

Любопитно е, че въртящият се пръстен на йони, проектиран от група професор Жан, причинява много неспециалисти на Асоциацията с вечния двигател. Разбира се, газовият кристал изглежда като Perpetum Mobile, но всъщност това не е така. В крайна сметка, тази система не може да прави никаква работа, тъй като всички негови компоненти са в едно енергийно ниво (освен, минимално). И според втория закон на термодинамиката, работата е възможна само в системата, която представлява минимум на две енергийни нива.

В същото време това не означава, че "кристалът на времето" не може да се използва за практически нужди. Професорът Джан е убеден, че въз основа на него може да бъде конструиран, например хронометър с висока температура. В края на краищата, преходът от симетрия към асиметрията има изразена периодичност. Междувременно професорът и колегите му искат да направят по-подробно проучване на имотите на прекрасната структура, създадена от тях ...

Франк Вилчек.

През юни група физици под ръководството на Xiang Zhana, наноинженер от Бъркли, и Лий Тонгчанг, физика от групата Жана, предлагат да създадат кристали под формата на постоянно въртящи се пръстени на заредени атоми или йони. (Лий съобщи, че е помислил за това, преди да прочете документацията на Уилчека). Статията е публикувана с Vilchekovskaya в същия вестник.

Оттогава само един критик - Патрик Бруно, физически теоретик от Европейската фондация за синхротрон радиация във Франция - изрази несъгласие в научната форма. Бруно вярва, че Вилчек и неговите колеги погрешно идентифицират поведението на обектите на времето с възбудено енергийно състояние, а не главната. Няма нищо изненадващо в обектите с прекомерно енергийно движение в един цикъл с забавяне в движение като разсейване на енергия. За да се превърне в време на кристал, обектът трябва да има вечно движение в основното състояние.

Коментарът на Бруно и отговорът на Вилчек се появиха в списание PRL през март 2013 година. Бруно демонстрира, че ниското енергийно състояние е възможно в системата, предложена от Wilchek, като хипотетичен пример за квантов кристал от време. Уилчек отговори, че въпреки че горният пример не е кристал от време, той не мисли, че тази грешка "поставя основните понятия".

- Доказах, че примерът е неправилен. Но все още нямам общи доказателства. До".

Спорите едва ли са завършени с теоретични причини. Тръмп картата е в ръцете на експериментаторите.

Международната група учени, водена от учени в Бъркли, подготвя комплекс в лабораторията, но може да се проведе в периода "от три години до безкрайност", преди да стигне до логично заключение. Всичко зависи от непредвидени технически трудности или финансиране. Надявам се, че кристалите на времето ще получат физиката отвъд точната, но квантова механика, а пътят ще постави на по-голямата теория.

"Много се интересувам дали мога да направя принос, след постулатите на Айнщайн", казва. - Той каза, че квантовата механика е непълна.

Илюстрация на експеримент с йонния пръстен в магнитна капан.

В теорията на общата относителност на Айнщайн измерването на пространството и времето е тъкано заедно - пространство-време. Но в квантовата механика, която е отговорна за взаимодействието на веществата на ниво SUBATATAMAN, времето е представено по различен начин - "тревожно, естетически неприятно", според Закржевски.

Различните концепции за времето могат да бъдат една от причините за несъвместимостта на общата теория на относителността и квантовата механика. Най-малко един от тези два елемента трябва да се промени, за да може да се създаде всеобхватна квантова теория на тежестта. Това е една от основните цели на теоретичната физика. Кое от разбирането на времето ще бъде правилно?

Ако времето кристали могат да нарушат симетрията на времето по същия начин, както конвенционалните кристали разбиват пространствената симетрия, "ще каже, че в природата тези две стойности изглежда имат симетрични свойства, което означава, че трябва да бъде недвусмислено отразено в теорията. Това означава, че квантовата механика е несъвършена, а квантовите физици ще трябва да обмислят времето и пространството като две нишки на една тъкан.

Екипът на Berkeley ще се опита да изгради времеви кристали чрез въвеждане на стотици калциеви йони в малка камера, заобиколена от електроди. Електрическото поле ще задвижва йони в капана 100 микрона с дебелина приблизително с човешка коса. След като учените трябва да калибрират електродите, за да подравнят полето. Тъй като обвиненията са отблъснати, йони ще бъдат разпределени равномерно по външния ръб на капана, образувайки кристален пръстен.

Първо, йоните ще вибрират в възбуденото състояние, но диодните лазери, като тези, използвани в DVD плейърите, ще намалят кинетичната си енергия. Според изчисленията на групата йонният пръстен ще достигне основното състояние, когато лазерите ще охладят йони до една милиардна степен над абсолютната нула. Такава температура за дълго време е недостижима поради нагряването на електродите в капана, но през септември се появява революционна технология, която след сто пъти ще намали топлинния капан. Това е точно факторът, който изследователите се нуждаят.

След това изследователите включват статично магнитно поле в капан, който, ако вярвате, теории, принуждават йони да се въртят (и безкрайност). Ако всичко върви в съответствие с плана, йоните ще се върнат в началната точка след определен интервал от време, образувайки редовно решетъчен момент и нарушаване на временната симетрия.

За да видите въртенето на пръстена, учените са докоснати от една от йоните с лазер, ефективно го поставят в друго електронно състояние, различно от останалите 99 йони. Избраният йон ще остане ярък и ще покаже новото си местоположение, докато други ще бъдат изхвърлени с втория лазер.

Ако една ярка йон ще се справи с постоянна скорост, учените първо показват, че симетрията на транслационната време може да бъде счупена.

"Това всъщност ще обърне нашето разбиране", казва. Но преди да докажем, че работи. "

Докато експериментът няма да бъде успешен, много физици ще бъдат скептични.

"Лично аз мисля, че е невъзможно да се открие движението в основното състояние", казва Бруно. "Те могат да управляват пръстена от йони на тороидален капан и да играят за интересна физика, но те няма да видят, че часовникът им постоянно отбелязва, докато декларират."

Въпреки че, кой знае, може би квантовата механика.

Крис Монро работи с йонна капан с подобен дизайн (източник: Hartmut Häffner)

Самите кристали са много необичайни структури. Например, кристалите (тези от тях, чиято кристална решетка няма най-високата кубична - симетрия), е присъща на анизотропия. Анизотропият на кристалите е хетерогенността на техните физични свойства (еластични, механични, термични, електрически, магнитни, оптични и други) в различни посоки.

Съвременните физици се интересуват не само от анизотропия на кристалите, но и тяхната симетрия. Що се отнася до симетрия, тя се проявява не само в тяхната структура и свойства в реално триизмерно пространство, но и в описването на енергийния спектър на кристалните електрони, анализ на рентгенови дифракционни процеси, неутронна дифракция и дифракция на електрон в кристалите Обратното пространство и т.н. Що се отнася до "времевите кристали", тук учените предполагат, че кристалите са симетрични във времето.