Новий стан речовини. Що таке тимчасові кристали?

1. «Ми взяли теоретичні ідеї, які ми крутили і так, і сяк протягом декількох років, і, насправді, створили...
2. «Одним з священних Граалей фізики є розуміння, які типи речовини можуть існувати в природі. Нерівноважні...
3. «Це як стрибки на скакалці, коли, якимось чином, ми обертаємо руки два рази, але скакалка обертається...
4. «Обидві системи дуже вражають (в оригіналі:« really cool »). Вони дуже сильно відрізняються. Думаю,...
5. «Ключовою умовою, необхідною для звернення даної конструкції в тимчасовій кристал, було підтримання...

Наша сеть партнеров Banwar

Не так давно вчені оголосили про відкриття нового стану речовини з вражаючими властивостями, яке офіційно було додано до вже значному переліку, що включає багато цікавих пунктів, крім відомих всім твердого, рідкого і газоподібного агрегатних станів. Concepture публікує переклад статті, що дає загальне уявлення про природу і можливе застосування тимчасових кристалів.

На початку цього року фізики склали попередню програму зі створення і вимірювання часових кристалів - дивного стану речовини, що характеризується тим, що атомна структура повторюється не тільки в просторі, але і в часі, що дозволяє їм підтримувати постійну осциляцію (коливання) без витрати енергії.

Дві незалежні групи дослідників змогли створити щось, що було до жаху схоже на тимчасові кристали ще в січні, але рецензування обидва експерименту пройшли відносно недавно, що дозволило офіційно ввести «неможливе» явище в царство фізичної реальності.

«Ми взяли теоретичні ідеї, які ми крутили і так, і сяк протягом декількох років, і, насправді, створили ці кристали в лабораторії», говорить один з дослідників, Ендрю Поттер (Andrew Potter) з Техаського університету, м Остін , і додає: «Сподіваємося, що це всього лише перший зразок і їх буде ще багато».

Тимчасові кристали - це одна з найбільш захоплюючих новин, якими фізики порадували світ за останні місяці. Справа в тому, що кристали вказують на наявність цілого світу «нерівноважних» фаз, кардинально відрізняється від усього, що вчені досліджували раніше.

Протягом десятиліть вчені вивчали речовини, такі як метали і діелектрики, які визначаються тим, що знаходяться в стані «рівноваги», тобто в стані, при якому всі атоми в матеріалі мають таку саму кількість тепла.Теперь, схоже, тимчасові кристали стануть першим прикладом нерівноважногостану речовини, існування якого було передбачене теоретично, але ще не було досліджено на практиці.

До того ж вони можуть наблизити революцію в способі зберігання і передачі інформації через квантові системи. «Це показує, що різноманітність станів речовини ще ширше (ніж ми думали)», в інтерв'ю Gizmodo сказав фізик Норман Яо (Norman Yao) з Каліфорнійського університету, Берклі, який опублікував програму зі створення тимчасових кристалів ще в січні.

«Одним з священних Граалей фізики є розуміння, які типи речовини можуть існувати в природі. Нерівноважні фази є новий шлях, відмінний від усіх тих явищ, які ми вивчали в минулому ».

Тимчасові кристали, існування яких вперше припустив лауреат Нобелівської премії, фізик-теоретик, Френк Вільчек, це гіпотетичні структури, які перебувають в русі навіть на найнижчому енергетичному рівні, відомому також як «основний рівень» (ground state). Зазвичай, коли матеріал входить в своє основне стан - також зване нульовою точкою енергії системи - рух, теоретично, повинно бути неможливо, так як воно вимагає витрати енергії.

Але Вильчек створив в своїй уяві об'єкт, який міг досягти постійного руху, спочатку перебуваючи в основному стані, знову і знову періодично змінюючи розташування атомів в кристалічній решітці, тобто, як би виходячи з основного стану і повертаючись в нього.

Однак, давайте з'ясуємо ситуацію - це не вічний двигун, так як загальна кількість енергії системи дорівнює нулю.Но ця гіпотеза здавалася спочатку неправдоподібною з іншої причини. Вона передбачала наявність системи, яка порушує саме фундаментальне положення сучасної фізики - симетрію щодо зсуву в часі, яке свідчить, що закони фізики однакові всюди і завжди.

Як пояснив Деніель Оберхаус (Daniel Oberhaus) в інтерв'ю Motherboard , Симетрія щодо зсуву в часі є причиною того, що неможливо підкинути монетку один раз таким чином, щоб можливість випадання «орла» і «решки» була б 50/50, але наступного разу, коли ви підкидаєте монетку, ймовірність, раптово, становить 70/30.

І все ж деякі об'єкти здатні порушувати цю симетрію, перебуваючи в своєму основному стані, при цьому не порушуючи закони фізики. Уявіть собі магніт з північним і південним полюсом. Неясно, як магніт «вирішує», який полюс у нього північний або південний, але факт того, що у нього є ці полюси, північний і південний, має на увазі, що він не буде виглядати однаково з обох кінців - він від природи ассіметрічен.

Іншим прикладом фізичного об'єкта з асиметричним основним станом є кристал. Кристали відомі своїми повторюваними структурними паттернами, але атоми всередині них мають свої «кращі» позиції в решітці. Таким чином, в залежності від того, з якої точки ви розглядаєте кристал в просторі, він виглядає по-різному - закони фізики більше не симетричні, тому що вони незастосовні рівним чином на всі точки в просторі.

Тримаючи це в розумі, Вильчек припустив, що можливо створити об'єкт, який досягає асиметричного основного стану не в просторі, як звичайні кристали або магніти, а в часі. Що пораждает логічне запитання, чи можуть атоми «віддавати перевагу» різні стану протягом різних проміжків часу?

Через кілька років американські і японські дослідники показали, що це можливо, але при цьому в припущення Вильчека було внесено значних змін: щоб кристали знову і знову змінювали свої статки, їм іноді потрібно давати «поштовх».

У січні цього року, Норман Яо (Norman Yao), в своєму інтерв'ю Елізабет Гібні для журналу « Nature », Описав, як можна побудувати такі системи, при цьому використовуючи більш« слабкий »вид порушення симетрії, ніж той, який передбачав Вильчек.

«Це як стрибки на скакалці, коли, якимось чином, ми обертаємо руки два рази, але скакалка обертається тільки один раз», говорить він, додаючи, що, в версії в Вильчека, скакалка рухалася б зовсім сама по собі - «Це звучить вже менш дивно, ніж початкова ідея, але, все ще, до біса дивно ».

Дві незалежні групи дослідників, одна від Університету штату Меріленд, інша - від Гарвардського Університету, взяли на озброєння цю ідею і втілили її в життя, створивши дві різні версії тимчасового кристала, які виявилися однаково життєздатними.

«Обидві системи дуже вражають (в оригіналі:« really cool »). Вони дуже сильно відрізняються. Думаю, вони, надзвичайно, доповнюють один одного », сказав Яо в ​​інтерв'ю Gizmodo -« Я не думаю, що одна з них краща за іншу. Вони відносяться до двох різних фізичних умов. Той факт, що ми спостерігаємо схожу феноменологію в двох дуже різних системах, по-справжньому захоплює дух ».

Як описано в препринті, що вийшов в січні 2017 року, тимчасові кристали, створені групою з Університету Меріленд, були сконструйовані у вигляді «паровозика» з 10 атомів ітербію, у всіх цих атомів був «поплутані» спини електронів.

Кріс Монро, Університет штату Меріленд

«Ключовою умовою, необхідною для звернення даної конструкції в тимчасовій кристал, було підтримання іонів в нерівноважному стані, для цього дослідники поперемінно піддавали їх впливу лазерів. Один з лазерів створював магнітне поле, а другий лазер - частково змінював спини атомів »- розповіла Фіона МакДональд, в одному зі своїх попередніх інтерв'ю Science Alert.

Так як спини атомів були «скуйовдженим», атоми сформували стабільний, що повторюється патерн зміни спина, який визначає кристал. Паралельно з формуванням повторюваного паттерна відбувалося щось насправді дивне, але одночасно необхідне, щоб перетворити дану структуру в тимчасовій кристал - патерн зміни спинив в системі повторювався тільки наполовину так часто, як імпульси лазерів. «Це, як якщо б ви потрясли желе і виявили б, що його відповідь коливання були б з іншим періодом, ніж початкові, чи не так, це було б вкрай дивно?» Говорить Яо. Що стосується, гарвардських тимчасових кристалів, то вони були створені на основі алмазів, забруднених азотом, які з цієї причини виглядали повністю чорними.

Гарвардський алмаз. Credit: Georg Kucsko

Спін даних домішок також періодично змінювався і повертався до початкового стану, як і спін іонів ітербію в рамках експерименту Університету Меріленда. Це був дуже хвилюючий момент для фізики, але тепер все дійсно офіційно, тому що обидва експерименту пройшли рецензування, а результати опубліковані в двох різних статтях в журналі «Nature».

Тепер, коли стало відомо, що таке явище існує, необхідно придумати способи його використання. Одним з найбільш багатообіцяючих застосувань тимчасових кристалів є квантові обчислення - вони можуть допомогти фізикам створити стабільні квантові системи, що працюють при значно більш високих температурах, ніж існуючі на сьогоднішній день, тобто, це може стати тим поштовхом, який зробить квантові комп'ютери повсякденною реальністю.

Навіть люди, далекі від науки, можуть відчути потенціал нової технології. Цікаво, що вона нам принесе?

оригінал статті