"Prevodi": novo stanje snovi. Kaj so začasni kristali? "Časovni kristali" lahko obrnejo teoretični komentar fizike s hipersongoy

Chris Monroe je delal z ionsko pastjo podobnega oblikovanja (vir: Hartmut Häffner)

Leta 2012 je nagrajenec Nobelove nagrade v fiziki Frank Vilchek ponudila nenavadno idejo. Predlagal je (in poskušal dokazati) možnost obstoja "časovnih kristalov". Takšne strukture, glede na fiziko, prejemajo energijo za njihovo gibanje iz prekinitve v času simetrije. Po mnenju Vilchek je posebna oblika večnega gibanja.

Sodobni fiziki se zanimajo ne le anizotropijo kristalov, ampak tudi njihova simetrija. Kot je za simetrijo, se kaže ne le v njihovi strukturi in lastnostih v realnem tridimenzionalnem prostoru, temveč tudi pri opisovanju energetskega spektra kristalnih elektronov, analizo procesov rentgenske difrakcije, nevtronske difrakcije in elektronske difrakcije v kristalih Obratni prostor, itd. Kot za "časovne kristale", so znanstveniki predlagali, da so kristali simetrični v času.

Wilchek je govoril o tem možnem pojavu nazaj leta 2010: »Nenehno sem razmišljal o razvrstitvi kristalov, potem pa sem mislil, da si lahko predstavljate prostor-čas s tega vidika. To je, če pomislimo na kristale v vesolju, bo logično za trenutno kristalne strukture pravočasno. " V kristalih atomi zasedajo stabilen položaj v mreži. In ker stabilni predmeti ostanejo nespremenjeni sčasoma, potem obstaja možnost, da lahko atomi tvorijo nenehno ponavljajoče se rešetke sčasoma. Na začetnem položaju se vrnejo skozi diskretni interval, kršijo začasno simetrijo. Če kristal ne uživa in ne proizvaja energije, so takšni začasni kristali stabilni, ki so v "glavnem stanju". Hkrati se v kristalni strukturi pojavijo ciklične spremembe, ki se z vidika fizike lahko šteje za večno gibanje.

Mnogi fiziki dvomijo o kapitalu hipoteze o možnosti obstoja začasnih kristalov. Toda tisti znanstveniki, ki so sprejeli, so začeli iskati načine za preverjanje pravičnosti predpostavk Wilchaka. In najdemo.

Chris Monroe od Univerze Maryland v parku College-Park je bil prvič ustvaril začasni kristal v svojem laboratoriju. Njegova ideja je bila ustvariti kvantni sistem v obliki skupine ionov. Pri ohladitvi obroča, po Monroeju (in drugih znanstvenikih), se bo energetsko stanje celotnega sistema zmanjšalo na najnižjo raven. Z drugimi besedami, v takih pogojih sistem gre na fazo "glavnega stanja". Če je začasna simetrija zlomljena, se mora obroč skozi čas spreminjati. Z drugimi besedami, zavrtite. Seveda je nemogoče izvzeti energijo tega gibanja, saj je to v nasprotju z zakonodajo ohranjanja energije.

Vse to je teorija. V praksi je te ideje težje izvajati. Namen, da ustvarite prstan iz ionov in preveri pravičnost hipoteze začasnih kristalov pred nekaj leti, so znanstveniki iz Berkeley poročali. Načrtovali so, da uvedejo na stotine kalcijevih ionov v majhno komoro. Ta fotoaparat mora biti obdan z elektrodami in vklopi tok. Nastalo električno polje vam omogoča, da odstranite ione v komoro z debelino približno 100 mikronov. Po tem je potrebno "kalibrirati" delce za poravnavo ravni. Ioni, ki se odmaknejo drug od drugega, bi oblikovali kristalni obroč s trolling enakomerno na zunanjem robu komore.

Predvideva se, da bodo ioni v taki past v navdušeni državi, vendar se bo s pomočjo laserja, njihova kinetična energija postopoma rezana. Po načrtu je treba temperaturo sistema pripeljati na 1 milijardo stopinj nad ničlo. Ko sistem doseže zemljišče, so znanstveniki načrtovali statično magnetno polje. To polje, če je hipoteza začasnih kristalov pravilna, naj bi si prisilila, da se ioni vrtijo. Po vrnitvi ionov na izhodišče v določenem časovnem obdobju bi znanstveniki beležili kršitev začasne simetrije.

Monroe je šel prav tako samo za ustvarjanje obroča, ni uporabil kalijevih ionov, ampak ionov ytterbije. Kompleksnost pri izvajanju ideje je, da obstoj delcev v določenem času ni mogoče predvideti obstoja. Res je, zahvaljujoč Anderson Localization je izjema v tem pravilu, ki se lahko uporabijo. Anderson Localization je pojav, ki izhaja iz razmnoževanja valov v mediju s prostorskimi heterogenostmi in sestavljen iz dejstva, da zaradi večkratnega razprševanja heterogenosti in vmešavanja razpršenih valov postane nemogoče razmnoževati obsežne valove; Oscilacije pridobijo naravo koncentriranega stoječega vala (lokalizirano) na omejenem območju prostora.

Relativno pred kratkim je fizika preučila skupine kvantnih delcev, ki se med seboj komunicirajo na tak način, da ta interakcija jih prisili, da jih lokalizirajo. Monroe je lahko uporabil rezultate te raziskave, da bi segtbije ionov prisilil, da bo določena mesta na določen čas. Kot rezultat, je bil ustanovljen začasni kristal, in monro ekipo, s čimer je dokazala možnost časovne simetrične motnje. Pri preučevanju lastnosti začasnega kristala se je izkazalo, da pomembna sprememba pogostosti vzbujanja ionov povzroči kristal za "taljenje". Po mnenju znanstvenikov, ustvarjanje začasnega kristala odpira veliko možnosti za kvantno računalništvo. Na primer, na podlagi začasnih kristalov, lahko ustvarite zanesljiv kvantni pomnilnik.

Res je, da delo Monro in sodelavcev še vedno zahteva preverjanje. Druge ekipe fizike nameravajo preveriti naravo učinka začasnih kristalov, ponavljajoče se poskusa. Če bo uspelo, bo hipoteza Franka Wilcheka postala teorija, kvantna fizika pa bo prejela spodbudo za nadaljnji razvoj.

Leta 2012 je nagrajenec Nobelove nagrade v fiziki Frank Wilchek predlagal obstoj nove vrste kristala. Čeprav ima večina kristalov strukturo, ki se ponavlja v dveh ali treh dimenzijah, Willchkov je predstavil koncept kristala, katerega struktura je reproducirana štirikrat: trije se ujemajo z meritvami prostora in četrto merjenjem. To hipotetično strukturo "časovne kristala" in šele lani so znanstveniki uspeli izvedeti, kako jih sintetizirati v laboratorijskih pogojih.

Kristale časa

Nedavno objavljene študije so pokazale, da so zloglasni časovni kristali ne le kot produkt laboratorijskih dejavnosti znanstvenikov. Izkazalo se je, da se takšne strukture lahko oblikujejo v naravnem okolju, medtem ko je sam proces veliko lažji od strokovnjakov, ki si jih predstavljajo. Za človeštvo je to velika sreča: Billchek Crystals se lahko uporabijo za praktične namene, na primer, da bi ustvarili ultra oblikovane atomske ure, nova generacija žiro in druge naprave.

Časovni kristali kažejo zelo nenavadno dejavnost pod vplivom elektromagnetnih valov. V takem kristalu se vse molekule vrtijo v določeni smeri, in se spremeni z vsakim novim um impulzom. Toda tudi če impulzi so nesistematični značaj, se smer vrtenja v rednih časovnih presledkih še vedno spreminja, zaradi česar se lahko časovni kristali uporabljajo kot merilo časovnih intervalov, to je kot univerzalna ura.

"Lahko celo naredi otroka"

Lani so raziskovalci izvedeli, kako ustvariti te kristale v laboratoriju z uporabo precej zapletene tehnike, vključno s izpostavljenostjo laserjev za niz YTTERBIUM atomov. Vendar pa je novo delo fizikov iz Univerze v Yale University dokazalo, da je sinteza časa kristalov tako preprosta, da lahko otrok dobesedno to stori. Ugotovili so, da so začasni kristali oblikovani v navadnih monomonijevih fosfatnih kristalih, ki se pogosto uporabljajo v "mladih kemičnih" kompletih in drugih izobraževalnih igrač, zahvaljujoč kateremu lahko raste čudovit kristal doma. Teoretično, v vsaki takšni strukturi, so lahko kristali Wilchek skrivajo. Sean Barret, avtor študije, ugotavlja, da je le v roki fizikom, ker je cenejši in lažji proces, ki ga je lažje preučiti. Zdaj se morajo ukvarjati z mehanizmom sinteze časovnih kristalov v vseh podrobnostih in natančno določajo, kako jih je mogoče uporabiti v korist tehnološkega napredka.

V zadnjem času je skupina ameriških fizikov lahko zgradila tako imenovani "kristal časa" - strukturo, ki je bila možnost, ki je bila napovedana že dolgo časa.

Značilnost kristala je sposobnost, da občasno postane asimetrična ne samo v prostoru, ampak tudi v času. Zato lahko iz nje naredite vrhunski kronometer.

Kristali so na splošno zelo paradoksalno izobraževanje. Vzemite vsaj njihov odnos s simetrijo: Kot vemo, se lahko kristal, presoja po njenem izgledu, šteje za preprosto vzorec prostorske simetrije. Vendar pa proces kristalizacije ni nič drugega kot njegova zlonamerna kršitev.

To zelo dobro ponazarja primer nastanka kristalov v raztopini, na primer, nekatere soli. Če analizirate ta proces od samega začetka, bo to videlo, da je v raztopini delcev kaotično, in celoten sistem je na minimalni ravni energije. Vendar pa so interakcije med delci simetrično o zavojih in premikih. Vendar pa se po tekočini kristaliziramo, se pojavi država, v kateri se izkažeta oba simetrija.

na nek način je mogoče sklepati, da interakcija med delci na nastalem kristalu sploh ni simetrično. Iz tega so številne najpomembnejše lastnosti kristalov - na primer te strukture, v nasprotju s tekočino ali plinom, se izvedejo drugače z električnim tokom ali toploto v različnih smereh (lahko izvedemo na severu in pough - Ne). V fiziki se ta nepremičnina imenuje anisotropy. Ta kristalinična anizotropna je že dolgo uporabljala oseba v različnih panogah, na primer, v elektroniki.

Druga zanimiva značilnost kristalov je, da je kot sistem vedno na minimalni energetski ravni. Kaj je najbolj radovedna, je precej nižja kot, na primer, v rešitvi, ki je "pokazala" Crystal. Lahko rečemo, da morate za pridobitev teh struktur "vzeti energijo iz vira substrata.

Torej, ko pride do kristala, se pojavi energetska raven sistema in kršitev začetne prostorske simetrije. Ne tako dolgo nazaj, dve fiziki iz ZDA, Al Scharerja in Frank Wilchek (mimogrede, Nobel Laureate), so mislili, če je obstoj tako imenovanega "štiridimenzionalnega" kristala mogoče, kjer bi simetrije motnje Ni se zgodilo ne samo v prostoru, ampak tudi v času.

S pomočjo kompleksnih matematičnih izračunov so znanstveniki lahko dokazali, da je to povsem mogoče. Posledično je bil pridobljen sistem, ki obstaja, kot tudi pravi kristal na minimalni energetski ravni. Toda najbolj zanimiva stvar je, da je posledica oblikovanja nekaterih periodičnih struktur, ki niso v vesolju, in pravočasno bi prišla na asimetrično končno stanje. Avtorji dela, ki se imenuje tak sistem zelo slovesno - "Čas kristal".

Po nekaj časa, skupina eksperimentarjev fizike, ki jo je profesor Zhang Xian z Univerze v Kaliforniji (ZDA) odločil ustvariti tak sistem, ki ni več na papirju, ampak v resnici. Znanstveniki so ustvarili oblak berilijevih ionov, po katerem je "zaklenjen" v krožnem elektromagnetnem polju. Ker se elektrostatični odboja enako napolnjenih ionov med seboj prisili, da se enakomerno porazdelijo v krogu, raziskovalci, v resnici, pridobljeni plinasti kristal. Medtem ko so bile značilnosti polja nespremenjene, se stanje sistema v teoriji ne bi smelo spreminjati.

Hkrati so izračuni, nato pa so ugotovitve pokazale, da je to največ ionskega obroča, ne bo določen. Kristalna plinasta je bila nenehno vrtenje, medtem ko je bila interakcija ionov simetrična, potem ne. Vse to je bilo opaziti, tudi ko je kristal ohladil skoraj do absolutne ničle. Tako je ta struktura dejansko "časovni kristal": prikazuje lastnosti frekvence in asimetrije tako v prostoru kot v času.

Zanimivo je, da je rotacijski obroč ionov, ki jih je oblikovala skupina profesorja Zhana, je združila številne ne-strokovnjake z večnim motorjem. Seveda, plinski kristal izgleda kot Perpetum mobilni, vendar je pravzaprav to ni. Konec koncev, ta sistem ne more narediti nobenega dela, saj so vse njegove komponente na eni energetski ravni (poleg, minimalno). V skladu z drugim zakonom termodinamike je delo možno le v sistemu, ki predstavlja najmanj na dveh energetskih ravneh.

Ob istem času, to ne pomeni, da "kristal časa" ni mogoče uporabiti za praktične potrebe. Profesor Zhang je prepričan, da je na podlagi njega mogoče zgraditi, na primer, visokotemperaturni kronometer. Navsezadnje ima prehod iz simetrije v asimetrijo izrazito periodičnost. V tem času, profesor in njegovi kolegi želijo podrobneje študije lastnosti čudovite strukture, ki jih ustvari ...

Frank Vilchek.

V juniju, skupina fizikov pod vodstvom Xiang Zhane, nano-inženir iz Berkeleyja, in Lee Tongchang, fizike iz skupine Zhana, je ponudila ustvariti kristale v obliki nenehno vrtljivih obročevih obroči napolnjenih atomov ali ionov. (Lee je poročal, da je razmišljal o tem pred branjem dokumentacije Wilcheka). Članek je bil objavljen z Vilchekovskaya v isti reviji.

Od takrat, samo en kritik - Patrick Bruno, ki je fizični teoretik iz Evropske fundacije za sinhrotron sevanje v Franciji - izraženo nesoglasje v znanstveni obliki. Bruno meni, da Vilchek in njegovi kolegi napačno identificirajo časovno odvisno vedenje predmetov z vzbujenim energetskim stanjem, ne pa glavni. Nič ni presenetljivo v predmetih s pretiranim energetskim gibanjem v ciklu z upočasnitvijo gibanja kot sipanje energije. Če želite postati časovni kristal, mora imeti predmet večno gibanje v glavnem stanju.

Brunovo komentar in odgovor VILCHEK je bil v reviji PRL marca 2013. Bruno je pokazala, da je nizka energijska država možna v sistemu, ki ga je predlagal Wilchek, kot hipotetični primer kvantnega kristala časa. Wilchek je odgovoril, da čeprav zgoraj navedeni primer ni kristal časa, ne misli, da ta napaka "postavlja osnovnih konceptov."

»Dokazal sem, da je primer napačen. Vendar še vedno nimam splošnih dokazov. Do ".

Spore se težko končajo s teoretičnimi razlogi. Trump kartica je v rokah eksperimentarjev.

Mednarodna skupina znanstvenikov, ki jih je vodila Berkeley Znanstveniki, pripravlja kompleks v laboratoriju, vendar se lahko v obdobju "od treh let do neskončnosti", preden gre za logični zaključek. Vse je odvisno od nepredvidenih tehničnih težav ali financiranja. Obstaja upanje, da bodo časovni kristali izpeljali fiziko zunaj natančne, vendar kvantne mehanike, pot pa bo dala večjo teorijo.

"Zelo me zanima, ali lahko prispevam, po Einsteinova postulates," pravi. "Rekel je, da je kvantna mehanika nepopolna."

Ilustracija eksperimenta z ionskim obročem v magnetni pasti.

V teoriji splošne relativnosti Einsteina je merjenje prostora in časa tkano skupaj - prostorski čas. Toda v kvantni mehaniki, ki je odgovoren za interakcijo snovi na ravni podnasloni, je čas zastopana drugače - "anksiozno, estetsko neprijetno", po Zakrzhevski.

Različni koncepti glede časa je lahko eden od razlogov za nezdružljivost splošne teorije relativnosti in kvantne mehanike. Vsaj eden od teh dveh elementov je treba spremeniti, da bi omogočili ustvarjanje celovite kvantne teorije gravitacije. To je eden od glavnih ciljev teoretične fizike. Kateri od razumevanja časa bo pravilen?

Če lahko kristali motijo \u200b\u200bsimetrijo časa na enak način, kot konvencionalni kristali zlomijo prostorsko simetrijo, "bo rekel, da ima v naravi ti dve vrednosti imajo simetrične lastnosti, kar pomeni, da bi bilo treba nedvoumno odražati v teoriji. To pomeni, da je kvantna mehanika nepopolna, kvantni fiziki pa bodo morali preučiti čas in prostor kot dve niti ene tkiva.

Berkeley ekipa bo poskušala zgraditi čas kristalov z uvajanjem stotine kalcijevih ionov v majhno komoro, obdana z elektrodami. Električno polje bo odstranili ione v past 100 mikronov debele, približno s človeškimi lasmi. Po tem, ko morajo znanstveniki kalibrirati elektrode, da poravnajo polje. Ker se stroške odnevljajo, bodo ioni enakomerno porazdeljeni po zunanjem robu pasti, ki tvorijo kristalni prstan.

Prvič, ioni bodo vibrirali v navdušeni državi, vendar bodo diode laserji, kot so tisti, ki se uporabljajo v DVD predvajalnikih, bodo zmanjšali kinetično energijo. Glede na izračune skupine bo ionski obroč dosegel osnovno stanje, ko bodo laserji ohladili ione na milijardo stopnjo nad absolutno ničlo. Takšna temperatura za dolgo časa je bila nedosegljiva zaradi ogrevanja elektrod v pasti, vendar se je septembra pojavila revolucionarna tehnologija, ki bo v sto krat zmanjšala toplotno past. To je ravno dejavnik, ki jih potrebujejo raziskovalci.

Raziskovalci nato vključujejo statično magnetno polje v past, ki, če verjamete teorije, sile ione, da se vrtijo (in v neskončnost). Če vse gre v skladu z načrtom, se bodo ioni po določenem časovnem intervalu vrnili na izhodišče, ki je ustvarilo redno ponavljanje mreže in kršilo začasno simetrijo.

Če si želite ogledati vrtenje obroča, se znanstveniki dotaknejo ene od ionov z laserjem, ki ga učinkovito daje v drugo elektronsko stanje, ki ni drugačen 99 ionov. Izvoljeni ion bo ostal svetla in pokaže svojo novo lokacijo, medtem ko bodo drugi dampinški z drugim laserskim.

Če bo svetla ion obvladala konstantno hitrost, najprej znanstveniki najprej pokažejo, da je mogoče prevodna simetrična simetrija prekiniti.

»To bo dejansko obrnilo naše razumevanje,« pravi. Toda preden moramo dokazati, da deluje. "

Medtem ko eksperiment ne bo uspešen, bodo številni fiziki skeptični.

"Osebno menim, da je nemogoče odkriti gibanja v glavni državi," pravi Bruno. "Lahko vozijo obroč ionov na toroidno past in igrajo za zanimivo fiziko, vendar ne bodo videli, da njihova uro nenehno označuje, ko izjavljajo."

Čeprav, kdo ve, morda kvantna mehanika.

Chris Monroe je delal z ionsko pastjo podobnega oblikovanja (vir: Hartmut Häffner)

Kristali sami so zelo nenavadne strukture. Na primer, kristali (tisti, ki imajo kristalno mrežo, ki nimajo najvišje - kubične simetrije), je neločljivo povezan z anizotropijo. Anizotropija kristalov je heterogenost njihovih fizikalnih lastnosti (elastične, mehanske, toplotne, električne, magnetne, optične in druge) v različnih smereh.

Sodobni fiziki se zanimajo ne le anizotropijo kristalov, ampak tudi njihova simetrija. Kot je za simetrijo, se kaže ne le v njihovi strukturi in lastnostih v realnem tridimenzionalnem prostoru, temveč tudi pri opisovanju energetskega spektra kristalnih elektronov, analizo procesov rentgenske difrakcije, nevtronske difrakcije in elektronske difrakcije v kristalih Obratni prostor, itd. Kot za "časovne kristale", so znanstveniki predlagali, da so kristali simetrični v času.