В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Фрэнк Вильчек выдвинул гипотезу о существовании нового типа кристаллической структуры, которая воспроизводит себя не только в пространственных измерениях, но и во времени. Эта концепция получила название «кристалл времени». Лишь в 2018 году ученым удалось разработать методику синтеза таких кристаллов в лабораторных условиях. Кристаллы времени представляют собой принципиально новое состояние материи, характеризующееся периодическим изменением структуры без затрат или поглощения энергии. Важной особенностью данных структур является то, что при переходе между двумя конфигурациями они не испытывают энергетических потерь. Несмотря на то, что кристалл времени может показаться фантастическим явлением, наподобие машины времени, данная концепция основана на физической теории, которая находится в стадии разработки.
Следует отметить, что существование кристаллов времени потенциально ставит под сомнение фундаментальные законы физики, такие как второй закон термодинамики и симметрия обращения времени.
Атомы «Кристалла времени», который напоминает «Кубик Рубика»
Любой стандартный кристалл, который мы знаем, например такой как алмаз, изумруд или даже обычный кубик льда определяет то, что атомы кристалла каким-то образом расположены в строгой повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга. Теория относительности утверждает, что существует три измерения пространства и четвертое измерение, время. Поэтому некоторые физики задались вопросом, могут ли атомы кристалла быть расположены во времени по повторяющимся закономерностям. Сама по себе идея является довольно новой. Её впервые выдвинул нобелевский лауреат, физик — Франк Вильчек в 2012 году.
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.
Исследование темпорального кристалла
В 2016 году физикам из Университета Мэриленда удалось собрать «сырой» кристалл времени. Исследователи выяснили, как создать эти кристаллы в лаборатории с помощью довольно сложной методики, включающей в себя точечное воздействие лазеров на набор атомов иттербия.
Йельский университет — где доказали, что синтезировать темпоральный кристалл легко
Новая работа физиков из Йельского университета доказала, что синтезировать кристаллы времени легко. Теоретически, в некоторых структурах «юного химика» 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.
Кристалл времени «Google»
Всё же вучёным удалось доказать возможность существования физических структур, ранее предсказанных только теоретически, совершив прорыв в фундаментальной физике. Они смогли получить так называемый «темпоральный кристалл» на базе 20-кубитового квантового компьютера «Sycamore Google», что может послужить более надёжному использованию квантовых компьютеров. Но это предварительное исследование, и ему еще предстоит пройти полную экспертную оценку.
Что же такого хорошего в этом исследовании? Почти все технологии далекого будущего, которые смогут способных существовать без сжигания топлива или использования энергии, потребуют систем квантовых вычислений. Сами по себе они довольно хрупкие, а помочь в этом может как раз «временной кристалл». Потенциально Google доказал, что люди могут производить кристаллы времени. В основном они считают, что доказали эту концепцию, так что теперь пришло время посмотреть, что с ней можно сделать.
Ученые создали кристаллы времени, управляющие светом и материей
«Эта работа может привести к первой экспериментальной реализации фотонных временных кристаллов, что даст толчок к их практическому применению и потенциально преобразует промышленность, — говорит Виктар Асадчи, доцент Университета Аалто, Финляндия. — От высокоэффективных усилителей света и передовых датчиков до инновационных лазерных технологий — это исследование бросает вызов границам того, как мы можем управлять взаимодействием света и материи».
Фотонные временные (темпоральные) кристаллы — уникальный тип оптических материалов. В отличие от обычных кристаллов, которые имеют повторяющиеся структуры в пространстве, эти кристаллы остаются пространственно однородными, но периодически колеблются во времени.
Это свойство создает «импульсные разрывы» — состояния, в которых свет фактически замирает внутри кристалла, в то время как его интенсивность растет по экспоненте. Одно из потенциальных применений фотонных кристаллов времени — нано-зондирование.
«Представьте, что мы хотим обнаружить присутствие маленькой частицы, например вируса, загрязнителя или биомаркера для таких заболеваний, как рак. При активации частица будет излучать крошечное количество света с определенной длиной волны. Фотонный временной кристалл может улавливать этот свет и автоматически усиливать его, обеспечивая более эффективное обнаружение с помощью существующего оборудования», — говорит Асадчи.
Создание фотонных временных кристаллов для видимого света долгое время оставалось сложной задачей из-за необходимости чрезвычайно быстрого и одновременно большого амплитудного изменения свойств материала.
На сегодняшний день наиболее продвинутая экспериментальная демонстрация фотонных временных кристаллов, разработанная членами той же исследовательской группы, была ограничена гораздо более низкими частотами, такими как микроволны. В своей последней работе команда предлагает первый практический подход к созданию «истинно оптических» фотонных кристаллов времени с использованием теоретических моделей и электромагнитного моделирования.
Используя набор крошечных кремниевых сфер, исследователи предсказывают, что особые условия, необходимые для усиления света, которые ранее были недостижимы, наконец могут быть воссозданы в лаборатории с помощью известных оптических методов.
Ранее исследователи из Швеции разработали новую систему оптических каналов связи, которая может рекордно ускорить передачу данных со спутников. Изобретение сочетает в себе бесшумный усилитель и сверхчувствительный приемник, что делает связь быстрее и надежнее.
Физики впервые создали в бозе-конденсате пространственно-временной кристалл
Физики из Нидерландов впервые получили «пространственно-временной кристалл» в бозе-конденсате холодных атомов натрия, пойманных в оптическую ловушку. Для этого ученые возбудили в конденсате собственные колебания, измерили распределение ее плотности и сделали его преобразование Фурье, чтобы доказать периодичность и стабильность структуры. Эта интересная статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org. Если бы законы, которые управляют движением атомов, не изменялись при произвольных сдвигах координат (трансляциях), твердые тела не смогли бы образоваться, и все пространство было бы заполнено однородным идеальным газом. К счастью, на практике взаимодействие между атомами такой симметрией не обладает, и частицы собираются в периодические пространственные структуры — кристаллы.
Схема эксперимента (a), последовательность действий (b) и изображения бозе-конденсата, сделанные в последовательные моменты времени ©/J. Smits et al. / Physical Review Letters
Такие структуры инварианты относительно ограниченного круга дискретных преобразований. Например, примитивная кубическая решетка переходит сама в себя только при сдвигах на вектора, которые можно построить из трех перпендикулярных векторов одинаковой длины. С точки зрения физиков-теоретиков это означает, что кристаллы спонтанно нарушают исходную непрерывную трансляционную симметрию до дискретной симметрии. Слово «спонтанный» в данном случае возникает потому, что система самопроизвольно переходит в состояние, нарушающее симметрию, хотя исходные уравнения движения ее сохраняют.
В 2012 году Нобелевский лауреат Франк Вильчек обобщил эти рассуждения на случай сдвигов во времени и разработал концепцию «кристалла времени» (time crystal). В отличие от пространственных кристаллов, которые повторяют свою структуру при пространственных сдвигах, «временны́е кристаллы» периодически воспроизводят свое состояние с течением времени. Простейшим аналогом такого кристалла мог бы быть идеальный маятник, если бы его колебания не затухали со временем. К сожалению, создать «временной кристалл» в равновесной системе невозможно: если система попадает в состояние с минимальной возможной энергией, она находится в нем неограниченно долго, а если выходит из равновесия, то теряет периодичность во времени.
Тем не менее, несколько лет спустя теоретики предложили способ, который позволяет создавать «кристаллы в дискретном времени» (discrete time crystal). Чтобы перейти к «дискретному времени», ученые накладывали на систему внешнее периодическое воздействие — в такой системе нет симметрии относительно произвольных сдвигов во времени, однако сохраняется инвариантность относительно сдвигов в «дискретном времени», то есть относительно сдвигов на период воздействия t. Оказывается, что в таких условиях может возникнуть периодическая структура с периодом T > t, которая сохраняет отношение T/t при небольших изменениях частоты воздействия. Образно говоря, такая структура обладает «временно́й жесткостью», аналогичной пространственной жесткости обычных кристаллов. Более того, при уменьшении силы взаимодействия между частицами система может «плавиться» и «кристаллизоваться» (терять и восстанавливать порядок), как обычные кристаллы. Первые «кристаллы в дискретном времени» физики получили в 2016 году. Следующим шагом было бы создание «пространственно-временных кристаллов», которые периодичны как в пространстве, так и в дискретном времени. Тем не менее, долгое время ученым не удавалось изготовить такую систему.
Построенное учеными распределение плотности «пространственно-временного кристалла»/J. Smits et al. / Physical Review Letters
Группа ученых под руководством Питера ван дер Штратена (Peter van der Straten) впервые получила «пространственно-временной кристалл» на практике. Для этого физики поймали 500 тысяч атомов натрия-23 в оптическую ловушку, охладили их и заставили образовать сверхтекучий конденсат Бозе — Эйнштейна. Из-за различия частоты лазеров, которые удерживали облако, форма конденсата напоминала сильно вытянутый цилиндр, длина которого примерно в сорок раз превышала радиус. После этого физики резко изменяли радиальную частоту ловушки и возбуждали в ней собственные радиальные колебания с частотой чуть больше ста герц (что отвечает периоду по времени t ≈ 10 миллисекунд). Эти колебания определяли шаг дискретного времени, на фоне которого формировался кристалл.
Затем ученые измерили колебания плотности атомов в пространстве и времени, фотографируя конденсат на камеру с интервалом около 3,3 миллисекунд. Для каждого отдельного опыта исследователи делали 50 фотографий, которые захватывали около 16 шагов «дискретного времени». Для каждого снимка физики усредняли пространственное распределение плотности вдоль поперечного среза облака, оставляя только зависимость от его продольной координаты. Построенное изображение было периодично в пространстве и времени (с шагом T = 2t).
Чтобы подтвердить, что полученная структура действительно является «пространственно-временная кристаллом», физики сделали преобразование Фурье измеренного распределения плотности. Оказалось, что в построенном спектре есть четыре пика, которые отвечают механическим колебаниям с частотами (k/kc, f/fc) = (±1, ±½), и еще два пика с частотами (k/kc, f/fc) = (0, ±1) (первое число отвечает пространственным колебаниям, второе — временны́м). Эти колебания возбуждаются в системе из-за небольших изменений частоты удерживающих лазеров, и указывают на устойчивость структуры во времени и пространстве. Таким образом, система действительно конденсировалась в «пространственно-временной кристалл».
Распределение плотности конденсата (верхний ряд) и его преобразование Фурье (нижний ряд) до (слева) и после (справа) образования кристалла/J. Smits et al. / Physical Review Letters
Кроме того, физики численно смоделировали поведение бозе-конденсата, опираясь на уравнения Гросса — Питаевского. Полученная картина практически в точности совпала с результатами эксперимента. Поэтому авторы статьи считают, что поведение «пространственно-временного кристалла», который они получили, полностью определяется этими уравнениями, а не некими новыми эффектами.
Численно рассчитанное распределение плотности конденсата (верхний ряд) и его преобразование Фурье (нижний ряд) до (слева) и после (справа) образования кристалла/J. Smits et al. / Physical Review Letters
Источник: http://www.nanonewsnet.ru/, https://nplus1.ru/, https://www.techinsider.ru/, https://incrussia.ru/
