"Překlady": nový stav látky. Jaké jsou dočasné krystaly? "Časové krystaly" může proměnit teoretickou fyziku komentář hypersonguy

Chris Monroe spolupracoval s iontovým pastím podobného designu (zdroj: Hartmut Häffner)

V roce 2012 nabídla laureát Nobelovy ceny ve fyzice Frank Vilchek neobvyklý nápad. Navrhl (a pokusil se dokázat) možnost existence "časových krystalů". Takové struktury, podle fyziky, přijímat energii pro jejich pohyb z rozpadu v čase symetrie. Rift, podle Vilchka, je zvláštní formou věčného pohybu.

Moderní fyzici se zajímají o nejen anisotropii krystalů, ale také jejich symetrie. Pokud jde o symetrii, se projevuje nejen ve struktuře a vlastnostech v reálném trojrozměrném prostoru, ale také v popisu spektra energetického spektra krystalových elektronů, analýza rentgenových difrakčních procesů, neutronové difrakce a elektronové difrakce v krystalech pomocí Reverzní prostor atd. Pokud jde o "časové krystaly", zde vědci navrhly, že krystaly jsou symetrické v čase.

Wilchek hovořil o tomto možném fenoménu v roce 2010: "Neustále jsem přemýšlel o klasifikaci krystalů, a pak jsem si myslel, že si můžete představit prostorový čas z tohoto hlediska. To znamená, že pokud přemýšlíme o krystalech ve vesmíru, bude logicky k prezentaci krystalových struktur v čase. " V krystalech, atomy zabírají stabilní polohu v mřížce. A protože stabilní předměty zůstávají v čase beze změny, pak je zde možnost, že atomy mohou vytvářet neustále opakující mříž v průběhu času. V počáteční pozici se vrátí přes diskrétní interval, porušují dočasnou symetrii. Pokud krystal nekončuje a nevytváří energii, pak takové dočasné krystaly jsou stabilní, jsou v "hlavním stavu". Současně se cyklické změny vyskytují v krystalické struktuře, což z hlediska fyziky lze považovat za věčné pohyb.

Mnoho fyziků má pochybnosti o vlastním kapitálu hypotézy možnosti existence dočasných krystalů. Ale ti vědci, kteří přijímali, začali hledat způsoby, jak ověřit spravedlnost předpokladů Wilchka. A najít.

Chris Monroe z Marylandovy univerzity ve vysokoškolském parku byl poprvé vytvořil dočasný křišťál ve své laboratoři. Jeho myšlenkou bylo vytvořit kvantový systém ve formě skupiny iontů. Při ochlazení kroužku podle monroe (a dalších vědců) se energetický stav celého systému sníží na minimální úroveň. Jinými slovy, v takových podmínkách systém přejde do fáze "hlavní stát". Pokud je dočasná symetrie přerušena, pak by se měl v průběhu času měnit. Jinými slovy, otáčejte. Samozřejmě není možné extrahovat energii tohoto hnutí, protože to je v rozporu se zákonem o zachování energie.

To vše je teorie. V praxi je obtížnější realizovat tuto myšlenku. Na záměr vytvořit prsten z iontů a zkontrolovat spravedlnost hypotézu dočasných krystalů před několika lety, vědci z Berkeley hlášeny. Plánovali zavedli stovky iontů vápníku do malé komory. Tato kamera musí být obklopena elektrodami a zapnout proud. Výsledné elektrické pole umožňuje řídit ionty do komory o tloušťce přibližně 100 mikronů. Poté je nutné "kalibrovat" částice pro vyrovnání úrovně. Ionty, tlačí od sebe, by vytvořily krystalový kroužek trolling rovnoměrně na vnějším okraji komory.

Předpokládá se, že ionty v takové pasti budou v nadšeném stavu, ale s pomocí laseru se jejich kinetická energie postupně sníží. Podle plánu musí být teplota systému uvedena na 1 miliardu stupňů nad nulou. Poté, co systém dosáhne půdorysu, vědci plánovali zahrnout statické magnetické pole. Toto pole, pokud je hypotéza dočasných krystalů správná, mělo to nutit ionty otáčet. Po návratu iontů do výchozího bodu v určitém časovém období vědci nahradili porušení dočasné symetrie.

Monroe šel podobně, pouze pro vytvoření prstence, to použilo ionty draselného, \u200b\u200bale ionty Ytterbia. Složitost při realizaci myšlenky je, že existence částic v určitém čase není možné předpovědět existenci. Pravda, díky lokalizaci Anderson Existuje výjimka v tomto pravidle, které lze použít. Anderson Lokalizace je fenomén vyplývající z šíření vln v médiu s prostorovými heterogenitami a skládající se ve skutečnosti, že vzhledem k tomu, že v důsledku vícenásobného rozptylu na heterogenitu a interferenci rozptýlených vln se stává nemožné šířit rozsáhlé vlny; Osciláty získají povahu stálé vlny koncentrované (lokalizované) v omezeném prostoru prostoru.

Poměrně nedávno, fyzika studovala skupiny kvantových částic, které vzájemně ovlivňují tak, aby tato interakce nutí k jejich lokalizaci. Monroe dokázal využít výsledky tohoto výzkumu, aby nutil ionty s cílem donutit ionty s cílem přijmout určitá místa v určitém čase. V důsledku toho byl vytvořen dočasný krystal, a Monro tým, tak prokázal možnost poruch časového symetrie. Při studiu vlastností dočasného krystalu se ukázalo, že významná změna frekvence excitace iontů způsobuje krystal "roztavit". Podle vědců se vytváření dočasného křišťálu otevírá dostatečné příležitosti pro kvantové výpočetní techniky. Například na základě dočasných krystalů můžete vytvořit spolehlivou kvantovou paměť.

Pravda, práce mono a kolegy stále vyžaduje ověření. Jiné týmy fyziků plánují zkontrolovat povahu vlivu dočasných krystalů, opakující experiment. Pokud uspěje, hypotéza Franka Wilchka se stane teorií a kvantová fyzika obdrží pobídku pro další rozvoj.

V roce 2012, laureát Nobelovy ceny ve fyzice Frank Wilchek navrhl existenci nového typu krystalu. Ačkoliv většina krystalů má strukturu, která se opakuje ve dvou nebo třech rozměrech, Willchkov představil koncept krystalu, jejichž struktura je reprodukována čtyřikrát: tři z nich odpovídají měřením prostoru a čtvrté časové měření. On nazval tuto hypotetickou strukturu "časového krystalu", a jen v loňském roce se vědci podařilo zjistit, jak je syntetizovat v laboratorních podmínkách.

Krystaly času

Nedávno publikované studie ukázaly, že notoricky známé krystaly času neexistují nejen jako produkt laboratorních aktivit vědců. Ukázalo se, že takové struktury mohou být vytvořeny v přirozeném prostředí, zatímco proces sám je mnohem jednodušší než představci odborníci. Pro lidstvo je to velká štěstí: Krystaly Willchek mohou být použity pro praktické účely, například vytvořit ultra tvarované atomové hodiny, nové generace gyros a další zařízení.

Časové krystaly vykazují velmi podivnou aktivitu pod vlivem elektromagnetických vln. V takovém krystalu se všechny molekuly otáčejí v určitém směru a mění se s každým novým impulsem UM. Ale i když jsou impulsy nesystematický charakter, směr otáčení se stále mění v pravidelných intervalech, díky kterým lze časové krystaly použít jako míra časových intervalů, tj. Univerzální hodiny.

"Může to dokonce udělat dítě"

V loňském roce vědci zjistili, jak vytvářet tyto krystaly v laboratoři pomocí spíše komplexní techniky, včetně bodu expozice laserů pro soubor atomů ytterbiových. Nicméně, nová práce fyziků z University of Yale University ukázala, že syntéza časových krystalů jsou tak jednoduché, že dítě může doslova udělat. Zjistili, že dočasné krystaly jsou vytvořeny v běžných krystalech fosforečnanu monoammonium, které se často používají v "mladých chemikech" a dalších vzdělávacích hračkách, díky, které můžete pěstovat krásný krystal doma. Teoreticky, v každé takové struktuře mohou být skryté krystaly Wilchek. Sean Barret, autor studie, konstatuje, že je to jen v ruce fyzikem, protože levnější a jednodušší proces je snadnější studium. Nyní se musí vypořádat s mechanismem syntézy časových krystalů ve všech detailech a určit přesně tak, jak mohou být použity ve prospěch technologického pokroku.

V poslední době byla skupina amerických fyziků schopna vybudovat tzv. "Crystal času" - strukturu, jehož možnost, která byla předpovězena po dlouhou dobu.

Funkce krystalu je schopnost periodicky stát se asymetrický nejen v prostoru, ale také v čase. Proto můžete udělat špičkový chronometr.

Krystaly jsou obecně velmi paradoxní vzdělávání. Vezměte alespoň jejich vztah se symetrií: Jak víme, samotný krystal, soudě podle svého vzhledu, lze považovat za jednoduše vzorek prostorové symetrie. Proces krystalizace však není nic jiného než jeho škodlivé porušení.

To velmi dobře znázorňuje příklad tvorby krystalů v roztoku, například některé soli. Pokud analyzujete tento proces od samého počátku, bude vidět, že v řešení částic jsou chaotické a celý systém je na minimální úrovni energie. Interakce mezi částicemi jsou však symetrické o otáčkách a směnách. Nicméně, po krystalizaci kapaliny, nastane stav, ve kterém se oba tyto symetrie vykazují, aby byly narušeny.

sestavem lze dospět k závěru, že interakce mezi částicemi ve výsledném krystalu není vůbec symetricky. Z toho existuje celá řada nejdůležitějších vlastností krystalů - například tyto struktury, na rozdíl od kapaliny nebo plynu, se provádí odlišně s elektrickým proudem nebo teplem v různých směrech (lze provádět na severu, a naug - Ne). Ve fyzice se tato vlastnost nazývá anizotropie. Tato krystalická anizotropie již dlouho používá osoba v různých průmyslových odvětvích, například v elektronice.

Další zajímavým rysem krystalů je, že je jako systém vždy na minimální úrovni energie. Co je nejzajímavější, je mnohem nižší než například v řešení, které "plodil" krystal. Lze říci, že za účelem získání těchto struktur musíte "vyjmout" energii ze zdrojového substrátu.

Když je tedy vytvořen krystal, dochází k energetické úrovni systému a porušení počáteční prostorové symetrie. Ne tak dávno, dvě fyzika z USA, Al Scharer a Frank Wilchek (mimochodem, Nobel Laureátem), přemýšlely, že existence takzvané "čtyřrozměrné" krystal je možný, kde dojde k narušení symetrie se nestalo nejen v prostoru, ale také v čase.

S pomocí komplexních matematických výpočtů, vědci dokázali dokázat, že je to docela možné. V důsledku toho byl získán systém existující, stejně jako skutečný krystal na minimální úrovni energie. Ale nejzajímavější věcí je, že je to kvůli tvorbě určitých pravidelných struktur, které nejsou ve vesmíru, a v době, kdy by se dostal do asymetrického koncového stavu. Autoři práce nazývali takový systém velmi slavnostně - "Time Crystal".

Po chvíli se skupina fyziků experimentátora vedla profesorem Zhangem Xianem z University of California (USA), se rozhodl vytvořit takový systém již na papíře, ale ve skutečnosti. Vědci vytvořili mrak berylliových iontů, po kterém "uzamčené" v kruhovém elektromagnetickém poli. Vzhledem k tomu, že elektrostatické odpojení stejně nabitých iontů od sebe navzájem nutí být rozdělován do kruhu rovnoměrně, výzkumní pracovníci ve skutečnosti získali plynný krystal. A zatímco vlastnosti pole se nemění, stav systému, teoreticky, by se také neměl měnit.

Současně, výpočty a pak pozorování ukázaly, že se jedná o většinu iontového kruhu, nebude fixován. Křišťálový plynný byl neustále otáčen a interakce iontů byla symetrická, pak ne. To vše bylo pozorováno, i když byl krystal ochlazen téměř na absolutní nulu. Tato struktura je tedy skutečně "časovým krystalem": ukazuje vlastnosti frekvence a asymetrie jak v prostoru, tak v čase.

Je zvědavá, že rotující kruh iontů, navržený skupinou profesora Zhana, způsobila s věčným motorem mnoho non-odborníků. Samozřejmě, plynový křišťál vypadá jako Perpetum Mobile, ale je vlastně to není. Koneckonců, tento systém nemůže učinit žádnou práci, protože všechny jeho komponenty jsou v jedné úrovni energie (kromě, minimální). A podle druhého zákona termodynamiky je práce možné pouze v systému, který představuje minimum na dvou úrovních energie.

Zároveň to neznamená, že "krystal času" nelze použít pro praktické potřeby. Profesor Zhang je přesvědčen, že na základě toho může být konstruován například vysokoteplotní chronometr. Koneckonců, přechod ze symetrie k asymetrii má výraznou periodicitu. Mezitím, profesor a jeho kolegové chtějí udělat podrobnější studii vlastností nádherné struktury vytvořené nimi ...

Frank Vilchek.

V červnu, skupina fyziků pod vedením Xiang Zhana, nano-inženýr z Berkeley, a Lee Tongchang, fyzika ze skupiny Zhana, nabídla vytvářet krystaly ve formě neustále otočných kroužků nabitých atomů nebo iontů. (Lee oznámil, že o tom přemýšlel předtím, než přečtete dokumentaci Wilcheka). Článek byl publikován s Vilchekovskayou ve stejném časopise.

Od té doby pouze jeden kritik - Patrick Bruno, fyzikátorský teoretik z Evropské nadace pro synchrotronové záření ve Francii - vyjádřil nesouhlas ve vědecké podobě. Bruno se domnívá, že Vilchek a jeho kolegové mylně identifikují časově závislé chování objektů s nadšeným energetickým stavem, a ne hlavní. Neexistuje nic překvapivého v objektech s nadměrným pohybem energie v cyklu se zpomalením pohybu jako energetický rozptyl. Chcete-li se stát časovým krystalem, musí mít objekt věčný pohyb v hlavním stavu.

Bruno je komentář a Vilchekova odpověď se objevila v časopisu PRL v březnu 2013. Bruno ukázal, že stav nízké energie je možný v systému navržený Wilchek, jako hypotetický příklad kvantového krystalu času. Wilchek odpověděl, že i když výše uvedený příklad není krystal času, nemyslím si, že tato chyba "umístí základní pojmy."

"Dokázal jsem, že příklad je nesprávný. Ale stále nemám žádné obecné důkazy. Dokud".

Spory jsou sotva ukončeny teoretickými důvody. Trump karta je v rukou experimentátorů.

Mezinárodní skupina vědců vedená Berkeley vědci připravuje komplex v laboratoři, ale to se může konat v období "od tří let do nekonečna", než jde o logický závěr. Vše záleží na nepředvídaných technických obtížích nebo financování. Doufáme, že časové krystaly odvozují fyziku za přesnou, ale kvantovou mechanici a cesta bude k větší teorii.

"Mám velmi zájem o to, zda mohu přispět příspěvek, následovat Einsteinovy \u200b\u200bpostuláty," říká. "Řekl, že kvantová mechanika je neúplná."

Ilustrace experimentu s iontovým kroužkem v magnetické pasti.

V teorii obecné relativity Einstein je měření prostoru a času tkané dohromady - časový čas. Ale v kvantové mechanici, která je zodpovědná za interakci látek na úrovni subatoman, čas je reprezentován odlišně - "úzkostný, esteticky nepříjemný" podle Zakrzhevského.

Různé pojmy o čase mohou být jednou z důvodů pro neslučitelnost obecné teorie relativity a kvantové mechaniky. Alespoň jeden z těchto dvou prvků by měl být změněn, aby bylo možné vytvořit komplexní kvantovou teorii gravitace. To je jeden z hlavních cílů teoretické fyziky. Který z pochopení času bude správné?

Pokud časové krystaly mohou narušit symetrii času stejným způsobem jako běžné krystaly rozbít prostorovou symetrii, "řekne, že v přírodě tyto dvě hodnoty mají symetrické vlastnosti, což znamená, že by měl být jednoznačně odrážel v teorii. To znamená, že kvantová mechanika je nedokonalá a kvantové fyzici budou muset zvážit čas a prostor jako dvě nitě jedné tkáně.

Berkeley Team se pokusí stavět časové krystaly zavedením stovek iontů vápníku do malé komory, obklopené elektrodami. Elektrické pole bude ionty que do tloušťky pasti 100 mikronů, přibližně s lidskými vlasy. Poté, co vědci musí kalibrovat elektrody tak, aby upravily pole. Vzhledem k tomu, že poplatky jsou odpuzovány, ionty budou rozděleny rovnoměrně podél vnějšího okraje pasti, tvořící krystalický kruh.

Za prvé, ionty budou vibrovat v nadšeném stavu, ale diodové lasery, jako jsou ty, které se používají v DVD přehrávačích, sníží svou kinetickou energii. Podle výpočtů skupiny se iontový kroužek dosáhne základního stavu, když se lasery ochladí ionty na jednu miliardu stupně nad absolutní nulou. Taková teplota na dlouhou dobu byla nedosažitelná vzhledem k ohřev elektrod v pasti, ale v září se objevila revoluční technologie, která ve stokrátech sníží tepelnou past. To je přesně faktor, který vědci potřebují.

Výzkumníci pak zahrnují statické magnetické pole v pasti, což, pokud si myslíte, že teorie, silové ionty k otočení (a do nekonečna). Pokud vše jde podle plánu, ionty se vrátí do výchozího bodu po určitém časovém intervalu, které tvoří pravidelnou dobu opakování mřížky a porušují dočasnou symetrii.

Chcete-li vidět rotaci kruhu, se vědci dotkli jedním z iontů s laserem, účinně ji uvede do jiného elektronického stavu než ostatní ionty 99. Zvolený ion zůstane jasný a ukázat své nové místo, zatímco jiné budou vyhozeny druhým laserem.

Pokud jasný ion zvládne konstantní rychlost, vědci nejprve ukazují, že symetrie translačního času může být přerušena.

"To bude vlastně otočit naše porozumění," říká. Ale než musíme dokázat, že to funguje. "

Zatímco experiment nebude úspěšný, mnoho fyziků bude skeptický.

"Osobně si myslím, že je nemožné detekovat pohyb v hlavním státě," říká Bruno. "Mohou řídit prsten iontů na toroidní pasti a hrát po zajímavé fyzice, ale neuvidí, že jejich hodinky se neustále prohlásí."

Ačkoli, kdo ví, možná kvantová mechanika.

Chris Monroe spolupracoval s iontovým pastím podobného designu (zdroj: Hartmut Häffner)

Krystaly sami jsou velmi neobvyklé struktury. Například krystaly (ty z nich, jejichž krystal mříž nemají nejvyšší - kubický - symetrie), je inherentní v anizotropii. Anisotropie krystalů je heterogenita jejich fyzikálních vlastností (elastické, mechanické, tepelné, elektrické, magnetické, optické a jiné) v různých směrech.

Moderní fyzici se zajímají o nejen anisotropii krystalů, ale také jejich symetrie. Pokud jde o symetrii, se projevuje nejen ve struktuře a vlastnostech v reálném trojrozměrném prostoru, ale také v popisu spektra energetického spektra krystalových elektronů, analýza rentgenových difrakčních procesů, neutronové difrakce a elektronové difrakce v krystalech pomocí Reverzní prostor atd. Pokud jde o "časové krystaly", zde vědci navrhly, že krystaly jsou symetrické v čase.