Пространственно-временные кристаллы — абсолютно новая форма материи

 |  | 1 фeврaля 2017 | Нoвoсти нaуки и тexники
Прoстрaнствeннo-врeмeнныe кристaллы — aбсoлютнo нoвaя фoрмa мaтeрии

У бoльшинствa людeй пoнятиe «кристaлл» aссoциируeтся с aлмaзaми, пoлудрaгoцeнными кaмнями или крупинкaми oбычнoй сoли. Все названные выше вещи имеют одно общее свойство — элементы их упорядоченной структуры повторяются в пространстве бесчисленное количество раз. Но на свете могут существовать и более экзотические кристаллы, к примеру такие, структура которых повторяется не только в пространстве и во времени. Возможность существования таких кристаллов является предметом горячих споров со стороны ученых, но Норману Яо (Norman Yao), физику из Калифорнийского университета в Беркли, в свое время удалось создать точное описание принципов «работы» пространственно-временных кристаллов, найти способы их создания и измерения основных параметров. Более того, взяв за основу работу Яо, две независимые группы ученых добились успехов в создании таких кристаллов, которые, безусловно, можно назвать еще одной формой материи.

Установки, созданные учеными из университета Мэриленда и Гарвардского университета, для создания пространственно-временных кристаллов используют разные принципы. Но интересен тот факт, что в разработке и создании обоих установок принимал непосредственное участие и Норман Яо. «Структура пространственно-временных кристаллов повторяется во времени из-за того, что их постоянно «пинают», заставляя колебаться» — рассказывает Яо, — «Прорывом в данном случае является не само создание временных кристаллов, а то, что они являются первыми образцами материи, неспособной самостоятельно прийти в состояние неподвижного равновесия».

«Все это является новым состоянием материи, и это состояние отличается от всех известных нам других состояний тем, что она не может перейти к равновесию» — рассказывает Яо, — «До последнего времени ученые исследовали в основном лишь равновесные состояния материи, к примеру, металлы и изоляторы. Сейчас же мы входим в совершенно иную область, которая может преподнести нам много нового, неожиданного и полезного, к примеру, для области квантовых вычислений».

Пространственно-временной кристалл, созданный группой Криса Монро (Chris Monroe) из университета Мэриленда, состоит из 10 ионов иттербия, которые взаимодействуют друг с другом через вращения (спины) их электронов. Это взаимодействие родственно взаимодействию между квантовыми битами (кубитами), которые являются базовыми блоками обработки информации в квантовых компьютерах. Для того, чтобы не допустить перехода этой системы в равновесное состояние, ионы подвергаются воздействию лазерного света, который упорядочивает спин электронов этих ионов. Свет второго лазера используется для создания в системе магнитного поля определенной конфигурации. Поскольку все ионы связаны друг с другом, то под воздействием вышеупомянутых факторов система начинает вращаться, возвращаясь к определенному положению через строго определенные промежутки времени.

С точки зрения квантовой механики, электроны, входящие в состав системы, могут сформировать временные кристаллы, которые не соответствуют понятию традиционной пространственной симметрии традиционных кристаллов, состоящих из наборов атомов одного или нескольких типов. Такое нарушение симметрии материала приводит к возникновению у него ряда уникальных и стабильных свойств. К примеру, колебательно-вращательное движение цепочки ионов иттербия, совершаемое под воздействием лазерного света и магнитного поля, приводит к тому, что временной кристалл возвращается в исходное положение два раза за один оборот, то, чего не может произойти с точки зрения системы, подчиняющейся только законам нормальной физики.

«Нарушение временной симметрии такими кристаллами является одним из самых удивительных их свойств» — рассказывает Яо, — «Несмотря на наличие задающего генератора имеющего определенный период колебаний, света лазера в данном случае, система синхронизируется так, что частота колебаний системы становится выше частоты колебаний задающего генератора».

Группа из Гарвардского университета использовала несколько иной подход к созданию пространственно-временных кристаллов. Их кристалл был составлен из азотных вакансий в кристаллической решетке алмаза, мест, возникающих тогда, когда атом углерода заменяется атомом азота. Параметры и многие из уникальных свойств созданных кристаллов обоих типов в точности повторили друг друга. «Практически идентичные результаты, полученные при помощи кардинально разных систем, указывают на то, что пространственно-временные кристаллы являются новой формой материи» — рассказывает Фил Рихэрм (Phil Richerme), физик из университета Индианы, — «Наши совместные эксперименты являются доказательством того, что «ломка» временной симметрии может произойти в любой сфере окружающего нас мира. И это открывает нам несколько новых путей для исследований».

И в заключении следует отметить, что понятие пространственно-временных кристаллов было предложено в 2012 году Фрэнком Вильчеком (Frank Wilczek), физиком из Массачусетского технологического института и Лауреатом Нобелевской премии в области физики. В прошлом году ученые из Принстонского университета и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре теоретически доказали возможность существования таких кристаллов. А работа Нормана Яо, групп из университета Мэриленда и Гарвардского университета стала первым «мостиком» связавшим воедино теорию и практику.