Люди, портреты

Создана новая форма материи — реальный кристалл времени. Физики впервые создали квантовый "временной кристалл"

Не так давно ученые объявили об открытии нового состояния вещества с поразительными свойствами, которое официально было добавлено к уже внушительному списку, включающему много интересных пунктов, помимо известных всем твердого, жидкого и газообразного агрегатных состояний. Concepture публикует перевод статьи, дающей общее представление о природе и возможном применении временных кристаллов.

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 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?

Возможно вы не знали:

Квантовая запутанность квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Например, можно получить пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии, и тогда если при измерении спина первой частицы спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.

Спин (от англ. spin, буквально – вращение, вращать(-ся)), собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома.

Иттербий элемент побочной подгруппы третьей группы шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, лантаноид, атомный номер - 70. Обозначается символом Yb. Относится к редкоземельным элементам (иттриевая подгруппа).

Основное состояние (основное состояние квантовомеханической системы) это ее состояние с наименьшей энергией; энергия основного состояния также известна как нулевая энергия системы.

Состояние вещества (агрегатное) состояние одного и того же вещества в определённом интервале температур и давлений, характеризующееся определёнными, неизменными в пределах указанных интервалов, качественными свойствами.

В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Фрэнк Вильчек предположил существование нового типа кристалла. Хотя большинство кристаллов имеют структуру, повторяющуюся в двух или трех измерениях, Вильчек представил концепцию кристалла, структура которого воспроизводится четыре раза: три из них соответствуют измерениям пространства, а четвертое — измерению времени. Он назвал эту гипотетическую структуру «кристаллом времени», и лишь в прошлом году ученым удалось выяснить, как можно синтезировать их в лабораторных условиях.

Кристаллы времени

Недавно опубликованные исследования показали, что пресловутые кристаллы времени существуют не только как продукт лабораторной деятельности ученых. Оказалось, что подобные структуры могут формироваться и в естественной среде, при этом сам процесс намного проще, чем представляли себе специалисты. Для человечества это большая удача: кристаллы Вильчека могут быть использованы в практических целях, к примеру для создания сверхточных атомных часов, гироскопов нового поколения и других устройств.

Кристаллы времени проявляют весьма странную активность под воздействием электромагнитных волн. В таком кристалле все молекулы вращаются в определенном направлении, и с каждым новым ЭМ-импульсом оно изменяется. Но даже в том случае, если импульсы носят бессистемный характер, направление вращения все равно изменяется с регулярными интервалами, благодаря чему кристаллы времени могут использоваться как мера отсчета временных интервалов, то есть как универсальные часы.

«Это может сделать даже ребенок»

В прошлом году исследователи выяснили , как создать эти кристаллы в лаборатории с помощью довольно сложной методики, включающей в себя точечное воздействие лазеров на набор атомов иттербия. Однако новая работа физиков из Йельского университета доказала, что синтезировать кристаллы времени так просто, что этим буквально может заниматься ребенок. Они обнаружили, что временные кристаллы образуются внутри обычных кристаллов моноаммонийфосфата, который часто используется в наборах «юного химика» и прочих познавательных игрушках, благодаря которым можно вырастить красивый кристалл в домашних условиях. Теоретически, в каждой такой структуре могут скрываться кристаллы Вильчека. Шон Баррет, автор исследования, отмечает, что физикам это только на руку, поскольку чем дешевле и проще процесс — тем легче его изучать. Теперь им предстоит во всех деталях разобраться в механизме синтеза кристаллов времени и определить, как именно их можно использовать на благо технологического прогресса.

Недавно группа американских физиков смогла сконструировать так называемый "кристалл времени" — структуру, возможность существования которой была предсказана уже давно.

Особенностью кристалла является способность периодически становиться асимметричным не только в пространстве, но и во времени. Поэтому из него можно сделать сверхточный хронометр.

Кристаллы - вообще весьма парадоксальные образования. Взять хотя бы их отношения с симметрией: как мы знаем, сам по себе кристалл, если судить по его внешнему виду, можно считать просто образцом пространственной симметрии. Однако процесс кристаллизации есть не что иное, как ее злостное нарушение.

Это очень хорошо иллюстрирует пример образования кристаллов в растворе, например, каких-нибудь солей. Если проанализировать данный процесс с самого начала, то будет видно, что в самом растворе частицы расположены хаотично, и вся система находится на минимальном энергетическом уровне. Однако взаимодействия между частицами симметричны относительно поворотов и сдвигов. Однако после того, как жидкость кристаллизовалась, возникает состояние, в котором обе эти симметрии оказываются нарушенными.

аким образом, можно сделать вывод о том, что взаимодействие между частицами в получившемся кристалле совсем не симметрично. Из этого вытекает ряд важнейших свойств кристаллов - например, эти структуры, в отличие от жидкости или газа, по-разному проводят электрический ток или тепло в различных направлениях (могут проводить на север, а на юг - нет). В физике данное свойство называется анизотропией. Эта кристаллическая анизотропия уже давно используется человеком в различных отраслях, например, в электронике.

Еще одним интересным свойством кристаллов является то, что он, как система, всегда находится на минимальном энергетическом уровне. Что самое любопытное, он намного ниже, чем, например, в растворе, который "породил" кристалл. Можно сказать, что для того, чтобы получить данные структуры, нужно "отнимать" энергию у исходного субстрата.

Итак, при образовании кристалла происходит понижение энергетического уровня системы и нарушение исходной пространственной симметрии. А не так давно два физика из США, Ал Шэпир и Фрэнк Вильчек (кстати, нобелевский лауреат), задумались, возможно ли существование так называемого "четырехмерного" кристалла, где нарушение симметрии происходило бы не только в пространстве , но и во времени.

С помощью сложных математических выкладок ученые смогли доказать, что это вполне возможно. В итоге получилась система, существующая, как и реальный кристалл, на минимальном энергетическом уровне. Но самое интересное заключается в том, что она за счет образования определенных периодических структур не в пространстве, а во времени приходила бы к несимметричному конечному состоянию. Авторы работы назвали такую систему очень торжественно - "кристаллом времени".

Через некоторое время группа физиков-экспериментаторов во главе с профессором Чжан Сяном из Университета Калифорнии (США) решила создать такую систему уже не на бумаге, а в реальности. Ученые создали облако ионов бериллия, после чего "заперли" его в круговом электромагнитном поле. Поскольку электростатическое отталкивание одинаково заряженных ионов друг от друга заставляет их распределяться по кругу равномерно, исследователи, по сути дела, получили газообразный кристалл. И пока характеристики поля были неизменными, то состояние системы, по идее, тоже не должно было меняться.

В то же время расчеты, а затем и наблюдения показали, что это самое ионное кольцо не будет неподвижным. Газообразный кристалл постоянно вращался, и взаимодействия ионов при этом были то симметричными, то нет. Все это наблюдалось даже тогда, когда кристалл охладили практически до абсолютного нуля. Таким образом, эта структура действительно является "кристаллом времени": она проявляет свойства периодичности и асимметрии как в пространстве, так и во времени.

Любопытно, что неспешно вращающееся кольцо ионов, сконструированное группой профессора Чжана, вызвало у многих неспециалистов ассоциацию с вечным двигателем. Конечно, газовый кристалл внешне похож на perpetum mobile, однако на самом деле таковым не является. Ведь эта система не может совершить никакой работы, так как все ее составляющие находятся на одном энергетическом уровне (к тому же, минимальном). А согласно второму закону термодинамики, работа возможна лишь в той системе, составляющие которой находятся минимум на двух энергетических уровнях.

В то же время это вовсе не значит, что "кристалл времени" никак нельзя использовать для практических нужд. Профессор Чжан убежден, что на его основе можно сконструировать, например, сверхточный хронометр. Ведь переход от симметрии к асимметрии имеет ярко выраженную периодичность. Пока же профессор и его коллеги хотят заняться более детальным изучением свойств созданной ими замечательной структуры…

Команда физиков из Йельского университета доказала, что синтезом загадочных «кристаллов времени», открытых нобелевским лауреатом, может заниматься даже ребенок!

В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Фрэнк Вильчек предположил существование нового типа кристалла. Хотя большинство кристаллов имеют структуру, повторяющуюся в двух или трех измерениях, Вильчек представил концепцию кристалла, структура которого воспроизводится четыре раза: три из них соответствуют измерениям пространства, а четвертое - измерению времени. Он назвал эту гипотетическую структуру «кристаллом времени», и лишь в прошлом году ученым удалось выяснить, как можно синтезировать их в лабораторных условиях.

Кристаллы времени

«Это может сделать даже ребенок»

Шон Баррет, автор исследования, отмечает, что физикам это только на руку, поскольку чем дешевле и проще процесс - тем легче его изучать. Теперь им предстоит во всех деталях разобраться в механизме синтеза кристаллов времени и определить, как именно их можно использовать на благо технологического прогресса.

Франк Вилчек.

В июне группа физиков под руководством Сян Чжана, наноинженера из Беркли, и Тонгчанга Ли, физика из группы Чжана, предложили создать кристаллы времени в форме постоянно вращающихся колец заряженных атомов или ионов. (Ли сообщил, что он думал об этом еще до того, как прочитал документацию Вилчека). Статья была опубликована вместе с вилчековской в том же журнале.

С тех пор только один критик - Патрик Бруно, физик-теоретик из Европейского фонда синхротронного излучения во Франции - выразил несогласие в научном виде. Бруно считает, что Вилчек и его коллеги ошибочно отождествляют времязависимое поведение объектов с возбужденным энергетическим состоянием, а не основным. Нет ничего удивительного в объектах с избыточным энергетическим движением в цикле с замедлением движения по мере рассеяния энергии. Чтобы стать кристаллом времени, объект должен обладать вечным движением в основном состоянии.

Комментарий Бруно и ответ Вилчека появился в журнале PRL в марте 2013 года. Бруно продемонстрировал, что низкое энергетическое состояние возможно в системе, предложенной Вилчеком, как гипотетический пример квантового кристалла времени. Вилчек ответил, что хотя приведенный пример не является кристаллом времени, он не думает, что эта ошибка «ставит под вопрос основные понятия».

«Я доказал, что пример некорректен. Но у меня до сих пор нет общего доказательства. Пока».

Споры едва ли закончатся теоретическими основаниями. Козырь находится в руках у экспериментаторов.

Международная группа ученых во главе с учеными Беркли готовит сложный в лаборатории, однако он может быть проведен в период «от трех лет до бесконечности», прежде чем придет к логичному завершению. Все зависит от непредвиденных технических трудностей или финансирования. Есть надежда, что кристаллы времени выведут физику за пределы точной, но квантовой механики, и проложат путь к более великой теории.

«Я очень заинтересован в том, могу ли я сделать вклад, следуя постулатам Эйнштейна», - говорит Ли. - «Он говорил, что квантовая механики является неполной».

Иллюстрация эксперимента с кольцом ионов в магнитной ловушке.

В теории общей относительности Эйнштейна измерения пространства и времени сплетаются воедино - пространство-время. Но в квантовой механике, которая отвечает за взаимодействие веществ на субатомном уровне, время представлено иначе - «тревожной, эстетически неприятной», по словам Закржевского.

Различные понятия о времени могут быть одной из причин несовместимости общей теории относительности и квантовой механики. По крайней мере один из этих двух элементов должен быть изменен, чтобы стало возможным создание всеобъемлющей теории квантовой гравитации. Это одна из основных целей теоретической физики. Какое из пониманий времени будет верным?

Если кристаллы времени могут нарушать симметрию времени таким же образом, как обычные кристаллы разрывают пространственную симметрию, «это будет говорить о том, что в природе эти две величины, похоже, обладают симметричными свойствами, а значит должны однозначно отражаться в теории. Значит, квантовая механика является несовершенной, и квантовым физикам придется рассматривать время и пространство как две нити одной ткани.

Команда Беркли будет пытаться построить кристаллы времени путем введения сотни ионов кальция в небольшую камеру, окруженную электродами. Электрическое поле загонит ионы в ловушку толщиной 100 микронов, примерно с человеческий волос. После ученым придется откалибровать электроды, чтобы выровнять поле. Поскольку заряды отталкиваются, ионы распределятся равномерно по внешнему краю ловушки, образовав кристаллическое кольцо.

Сначала ионы будут вибрировать в возбужденном состоянии, но диодные лазеры, вроде тех, что используются в DVD-проигрывателях, будут урезать их кинетическую энергию. По расчетам группы, ионное кольцо достигнет основного состояния, когда лазеры охладят ионы до одной миллиардной градуса выше абсолютного нуля. Такая температура долгое время была недостижима из-за нагревания электродов в ловушке, но в сентябре появилась революционная технология, которая в сто крат снизит тепловой фон ловушки. Это именно тот фактор, который нужен исследователям.

Затем исследователи включат статическое магнитное поле в ловушке, которое, если верить теории, заставит ионы вращаться (причем до бесконечности). Если все пойдет по плану, ионы вернутся к исходной точке спустя определенный интервал времени, образовав регулярно повторяющуюся во времени решетку и нарушив временную симметрию.

Чтобы увидеть вращение кольца, ученые тронут один из ионов с помощью лазера, эффективно поставив его в другое электронное состояние, отличное от других 99 ионов. Избранный ион будет оставаться ярким и показывать свое новое местоположение, в то время как другие будут затемняться вторым лазером.

Если яркий ион будет обращаться с постоянной скоростью, ученые впервые продемонстрируют, что трансляционная симметрия времени может быть нарушена.

«Это на самом деле перевернет наше понимание», - говорит Ли. Но прежде мы должны доказать, что это работает».

Пока эксперимент не закончится успехом, многие физики будут настроены скептически.

«Лично я думаю, что невозможно обнаружить движение в основном состоянии», - говорит Бруно. - «Они могут загнать кольцо ионов в тороидальную ловушку и поиграться с интересной физикой, но они не увидят, что их часики тикают постоянно, как они заявляют».

Хотя, кто знает, возможно квантовая механика .