Учёные подтвердили существование «кристаллов времени» — фазового состояния вещества с нарушением временной симметрии


    Структура кристалла времени периодически повторяется не только в пространстве, но и во времени. Например, кольцо охлаждённых атомов в слабом магнитном поле

    Итак, больше это не пустые разговоры и не голая теория. На прошлой неделе в авторитетном журнале Physical Review Letters опубликована научная статья старшего преподавателя (assistant professor) физики Калифорнийского университета в Беркли Нормана Яо (Norman Yao) с коллегами, в которой он приводит схему для создания кристалла времени и методику регистрации состояний, характерную именно для этой новой формы материи.

    Теперь построен мост между теорией и реальностью — эксперимент по созданию кристаллов времени может повторить каждый, и эту теорию нобелевского лауреата Вилчека можно считать подтверждённой экспериментально.

    В 2012 году выдающийся физик Франк Вилчек выдвинул гипотезу «кристаллов времени». Она становится понятна, если представить существование кристалла в пространстве-времени немного с другой стороны, чем это принято. Обычно принято рассматривать кристаллическую решётку в пространстве, но Франк Вилчек предложил посмотреть на неё также во времени.

    Если посмотреть на атомы кристаллической решётки таким образом, то в стабильном внешне кристалле происходят некие внутренние энергетические колебания. Расчёты Вилчека показали, что атомы могут образовывать постоянно повторяющуюся решетку во времени, возвращаясь в исходное положение спустя разные интервалы времени, тем самым нарушая временную симметрию. Получается, что без потребления или производства энергии временные кристаллы будут находиться в «основном состоянии», но циклически изменять структуру, что с точки зрения физики определяется как вечное движение.

    В сентябре 2016 года Крис Монро (Chris Monroe) в лаборатории Мэрилендского университета в Колледж-Парке создал первый временной кристалл. Его идея состояла в том, чтобы создать квантовую систему в виде группы ионов, расположенных кольцом. При охлаждении кольца энергетическое состояние системы понизится до минимального уровня, то есть «основного состояния». Крис Монро для создания «основного состояния» кольца взял ионы иттербия. Он использовал квантовые взаимодействия, чтобы заставить ионы иттербия войти в основное состояние, а потом и зафиксировать нарушение временной симметрии. Научная работа выложена на arXiv.org.

    После группы Монро успешный эксперимент с созданием кристаллов времени провели коллеги из Гарвардского университета (ведущий автор исследования — Михаил Лукин, сотрудник Гарварда), используя совершенно другую экспериментальную установку с плотно упакованным азот-вакансионными центрами в алмазах. Они тоже опубликовали свои результаты на arXiv.org. В гарвардской работе принимал участие Норман Яо, представитель кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли.

    Норман Яо одновременно плотно сотрудничал с исследовательскими коллективами Монро и Лукина, что позволило ему детально изучить главные базовые свойства кристаллов времени.

    Кристаллы времени периодически повторяют свою структуру, потому что периодически получают энергию извне. По словам старшего преподавателя Яо, это можно сравнить с движением кубика желе, которому дали щелчок пальцем. Получив внешнее энергетическое воздействие, кристаллы времени демонстрируют крайне интересное поведение, что и делает их новым фазовым состоянием вещества. Это широкий класс материалов, которым от природы не свойственно равновесие.



    «Это новое фазовое состояние вещества, однозначно, — говорит Норман Яо. — но оно в самом деле классное, потому что это один из первых примеров неравновесного вещества. За последние полвека мы исследовали равновесное вещество, как в металлах и диэлектриках. Мы только сейчас начинаем изучать целый новый мир неравновесного вещества».

    Сам Норман Яо с трудом представляет, где можно на практике использовать кристаллы времени. Другие исследователи предполагают, что неравновесные материалы с цикличным повторением структуры во времени могут стать практически идеальными запоминающими устройствами и найдут применение в квантовых компьютерах.


    Изменение экспериментальных параметров легко может расплавить кристалл времени до состояния тривиального диэлектрика или разогреть его. Иллюстрация: Норман Яо

    В только что опубликованной научной работе Нормана Яо описана схема создания кольца из 10 ионов иттербия, у которых спины электронов взаимодействуют друг с другом, словно кубиты в квантовых компьютерах. Чтобы вывести ионы из равновесия, их облучают лазерным импульсом для создания слабого магнитного поля, а второй лазер частично раскручивает спины атомов, многократно повторяя это воздействие. Поскольку спины взаимодействуют друг с другом, атомы переходят в повторяемый паттерн взаимодействий, который определяет структуру кристалла. Такая схема использовалась во время вышеупомянутого эксперимента в Мэрилендском университете.

    В кристалле времени электроны формируют во времени кристалл, который не соответствует закреплённой в пространстве симметрии атомов. Именно это определяет его уникальные свойства.


    Кристалл времени Мэрилендского университета. Иллюстрация: APS/Alan Stonebraker/Phil Richerme

    Ещё одно необычное свойство этого фазового состояния — отклик на взаимодействие с интервалом, который превышает интервал взаимодействия. То есть материал облучают лазером с интервалом T, а материал реагирует с интервалом 2T. Это крайне странное свойство, которое отсутствует в обычных материалах. Представьте кубик желе, который начинает колебаться только со второго щелчка.

    В экспериментах группы Михаила Лукина с совершенно другой экспериментальной установкой был зафиксирован такой же феномен нарушения временной симметрии — это доказывает, что кристалл времени действительно представляет собой некое новое фазовое состояние вещества.

    Научная статья опубликована 18 января 2017 года в журнале Physical Review Letters (doi: 10.1103/PhysRevLett.118.030401).

    Средняя зарплата в IT

    113 000 ₽/мес.
    Средняя зарплата по всем IT-специализациям на основании 10 037 анкет, за 2-ое пол. 2020 года Узнать свою зарплату
    Реклама
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее

    Комментарии 34

      +3
      Получается, что без потребления или производства энергии временные кристаллы будут находиться в «основном состоянии», но циклически изменять структуру, что с точки зрения физики определяется как вечное движение.

      Кристаллы времени периодически повторяют свою структуру, потому что периодически получают энергию извне.

      ?
        +1

        Я полагаю, под "извне" имелись ввиду (теоретически) измерения под номерами от пятого и выше. Вообще, всё это выглядит паранормально круто. Совершенно паранормально и фантастически круто.

          0
          Извне там в самом прямом смысле — система незамкнута. И желательно упомянуть о том, что симметрия — трансляционная. Да, это важно.
        +1
        Хочется задать глупый вопрос. А почему обычная вращающаяся шестеренка НЕ является кристаллом времени? Тоже возвращается к одной и той же структуре, тоже для этого получает энергию извне…
          0
          Потому что речь идет про энергетические состояния, которые изменяются с определенным постоянством во времени. В обычных материалах энергетические состояния атомов вещества находятся в равновесии.
            0
            И ещё маятник в ходиках.
            +17

            Так и не понял, что такое "кристалл времени". Т.е., некое смутное чувство есть, но осознанного понимания нет.

              +2
              Fezzo
              Oroszorszag

              Из этой статьи тоже нефига не понял. Так же как из предыдущей на эту тему: https://geektimes.ru/post/281196/

              Заглянув в первоисточник https://arxiv.org/abs/1609.08684 не намного понятнее, но хоть в общих чертах. Наблюдается эффект своего рода дискретности(квантования)
              времени.
              А аналогия с кристаллами: как в материальных кристаллах есть упорядоченная атомная решетка с собственными(независящими от внешних воздействий) интервалами, так и тут признаки какой-то «решетки времени» задающей какие-то собственные(НЕ смодулированные извне) уже не пространственные, а временные интервалы наблюдаются.

              Хотя на диванный взгляд (в теорию не углублялся) это не дискретность самого времени, а просто следствие дискретности всех квантовых взаимодействий и неизменности скорости света с которой эти взаимодействия передаются/распространяются. Напрямую течение времени наблюдать невозможно, только косвенно через взаимодействия частиц друг с другом, в т.ч. и в этой работе так было.

              И получается что-то похожее на «эффект наблюдателя» в квантовой механике. Когда без наблюдения имеем непрерывную волну, а при наблюдении (которое в принципе невозможно без какого-либо хотя бы малейшего взаимодействия, а все взаимодействия как известно квантуются, ну кроме возможно гравитации) получаются дискретные частицы. Так и тут — даже если время на самом деле непрерывно, то пытаясь наблюдать его ход через взаимодействия элементарных частиц рано или поздно достигнув нужной точности измерений получим мнимую дискретность хода времени.

              Хотя это можно будет проверить — если эта дискретность будет иметь какие-то общие закономерности независимо от того какие именно частицы использовались(а в идеале — и на каком-то другом взаимодействии помимо электромагнитного, хоть пока это и нереально), то уже можно будет делать выводы о самом времени.
              +9
              Буду премного благодарен (полагаю, что не я один), если кто-нибудь понимающий объяснит данный феномен «на пальцах»
                +1
                Такая ж фигня, ничё не понял.
                  0
                  Представь квантовую систему из трёх электронов в состояниях «камень», «ножницы» и «бумага», каждый из которых замещает собой в квантовой системе место «слабого» относительно своего состояния. Вот и замещают друг друга по кругу, не находя равновесного состояния.
                    0
                    А то, как происходит это замещение, просчитывается?
                      0
                      Да (что бы этот вопрос ни значил).
                    0
                    Я так понял, что это состояние вещества, которое похоже на колеблющееся желе, но со стороны энергии этого вещества.
                      0
                      Я так понял. В кристале есть 10 «запутаных» электронов. Где к примеру изменение спина одного вличет изменение спина другого. Так вот после внешнего взаимодействия (обучения лазером), электроны начинают менять состояние спина, и через разные промежутки времени вся система возвращается в исходное состояние. Получается как бы кристал состояний спинов по времени. Правда, как я понял он не симметричный.
                        0

                        Статья написана ужасно. Ничего не понятно.


                        Объяснить можно по аналогии с обычным кристаллом. Вообще говоря, если взять в жменю кучку атомов, то такая система будет обладать трансляционной симметрией — грубо говоря, что ты положишь атомы "сюда", что "туда", им пофиг — ни одно место в пространстве не будет выделено. Тривиальное утверждение.
                        А теперь возьмём другой факт. Атомы эти взяли, да образовали кристалл — периодическую структуру, у которой полной трансляционной симметрии уже нет (система будет эквивалентна лишь такой же, сдвинутой на период кристаллической решётки). Это — один из простейших примеров спонтанного нарушения симметрии, довольно облюбованного физиками явления.


                        Теперь можно помыслить аналогичную ситуацию — трансляционную симметрию, но не в пространстве, а во времени. Замкнутые физические системы, очевидно, обладают оной. Незамкнутые (а это, грубо говоря, те, которые "трясут" снаружи) — нет, ведь если имеется внешняя сила, то она "задаёт" явную зависимость от конкретного момента времени. Однако, если система незамкнута, но трясётся периодически — то и двигаться она, естественно, будет периодически, причём, более или менее, с тем же периодом, см. состояния Флоке — ведь периодическая структура во времени задана снаружи. Это всё ещё тривиальное утверждение — и это тоже ещё не является "временным кристаллом". Эти самые состояния Флоке возникают в связи с тем, что в системе имеется (заданная снаружи) дискретная трансляционная симметрия во времени.


                        Ключевым, судя по тому, что я понял, является то, что эта (дискретная) симметрия спонтанно нарушается — а именно, отклик возникает в системе с удвоенным, утроенным (ну, в общем — в какое-то целое количество раз большим) периодом. Происходит спонтанное нарушение дискретной временной симметрии! Вот это вот учёных и взбудоражило. И вот это уже и является временным кристаллом.


                        Простите, если получилось занудно и развеял всю романтику. Так оно иногда и бывает :(

                          +1

                          И — да, статья, о которой речь (если нет подписки на American Physics Society, то можно взять из архива, совсем свежие статьи в sci-hub не сразу появляются) — это вовсе не экспериментальное подтверждение в том смысле, в котором люди обычно имеют в виду эксперимент. В ней вообще речь идёт о численном эксперименте (можно много разглагольствовать о том, является это настоящим экспериментом или нет — но к природе он имеет отношение, увы, слабое).

                            +1
                            Огромное спасибо за объяснение! Намного яснее, чем в статье.
                            Непонятна лишь осталась аналогия, почему это названо кристаллом. По идее кристалл — вещество, в котором симметрия (трансляционная) как раз таки не нарушается. Хотя и в данном случае симметрия всё равно остаётся (меняется только период), но всё равно неясно, чем это более «временной кристалл» по сравнению с каким-нибудь периодическим процессом (в котором период накачки совпадает с периодом реакции системы, например).
                            Единственную аналогию, которую могу здесь увидеть — что кристалл, вообще говоря, не обязан быть изотропным (иметь одинаковые свойства по разным направлениям). Собственно, кристаллы так или иначе действительно анизотропны, но они также могут иметь не-кубическую решётку и тому подобное (ось x не равноценна оси y). И по теме статьи можно представить некую временную структуру, где период накачки лежит по одной оси, а период реакции в другой — тогда мы получаем кристалл, который как раз имеет разные периоды решётки по оси x и y. То есть суть не во временных кристаллах самих по себе, а в, грубо говоря, анизотропных временных кристаллах.
                              0

                              Сравните кристалл с газом или с жидкостью, где имеет место полная трансляционная (и, как вы справедливо заметили, вращательная) симметрии — можно отойти от точки наблюдения на произвольное расстояние, и, вообще говоря, ничего не изменится. Существенно то, что расстояние — именно что произвольное, в отличии от кристалла. Там отходить можно только на период кристаллической решетки (ну или кратное ему расстояние) — и только так. В этом смысле говорят о том, что симметрия кристалла гораздо меньше, чем симметрия газа или жидкости (для описания этого дела очень любят теорию групп — группа кристалла включается в полную группу трансляций и вращений; в этом смысле и говорят о спонтанном нарушении симметрии с понижением полной группы симметрии тела).
                              Естественно, то же происходит и с вращениями — если решетка кубическая, то есть небольшой дискретный набор поворотов (условно говоря, на 90 градусов вокруг кристаллографических осей); в худшем случае поворотов вообще может не быть.


                              Но так или иначе, с временным кристаллом примерно то же и происходит. Исходное имелись трансляции во времени на T, 2T, 3T,… — а теперь, скажем, только на 3T, 6T, 9T, etc.
                              Преобразований симметрии стало как бы меньше, симметрия спонтанно нарушилась. (конечно, эти две группы очевидным образом изоморфны, но оставим это занудам — и так понятно, что с симметрией тут проблемы)

                                0
                                Ага, не подумал, что понижение симметрии тоже является спонтанным нарушением симметрии. Ещё раз спасибо.
                                0
                                Хотя и в данном случае симметрия всё равно остаётся (меняется только период), но всё равно неясно, чем это более «временной кристалл» по сравнению с каким-нибудь периодическим процессом (в котором период накачки совпадает с периодом реакции системы, например).


                                А тут период реакции системы как раз не совсем совпадает с периодом накачка. Ученые специально вносили небольшие отклонения в период накачки (условно «помехи»), но пока они оставались ниже некого критического порога квантовая система самостоятельно синхронизировалась на стабильную (собственную) частоту колебаний.
                                image
                                Это из позволило (не берусь насколько справедливо) заявить о некой «упругости/жесткости» временных характеристик системы и нарушении симметрии в трансляции времени в ней.
                                0
                                Уже экспериментально этот эффект на практике проверили: Observation of a Discrete Time Crystal
                            0
                            Я правильно понимаю, что речь идет о спинах частиц (электронов, протонов) которые меняют свой спин с периодичностью во времени?
                              0
                              Только на днях спорили с другом, что все возможные сплавы при нормальных условиях уже открыты, потому что мы имеем предсказывающие теории и мощности суперкомпьютеров, как оказывается, что еще есть не паханое поле в области фазового состояния вещества.
                              Круто, что качественный прогресс есть даже в таких «прикладных» областях, как материаловедение.
                                +2
                                Мне кажется перевод термина «кристалл времени» крайне неудачен и затрудняет понимание.
                                  +1
                                  Вижу подкачку энергии извне, невынужденных колебаний в системе не вижу.
                                    0
                                    как я понял: в неоднородном веществе под названием «кристалл времени» атомы движутся так же неоднородно, но они движутся таким образом, что спустя какое то время возвращаются в исходное положение (короче делают круг) и становятся в один ряд со всеми (как планеты в солнечной системе) образуя сетчатую структуру
                                    image

                                    смысл в том, что они делают круг в разнобой и точного промежутка времени для восстановления сетки нет

                                    ничего крутого в этом не вижу, это как набор заряда (магнитного?) — срыв решетки, истощение — восстанавливание решетки

                                    ps. это мое мнения, если кто то понял по другому — буду рад почитать
                                      0
                                      Атомы никуда не движутся, да это и вряд ли возможно, учитывая что эксперимент скорее всего проводился при температуре близкой к абсолютному нулю, во времени изменяются энергетические параметры этих атомов, такие как электронные уровни, спин.
                                      0
                                      image
                                        +1
                                        Ну и как бы да,
                                        где можно на практике использовать кристаллы времени
                                        после прочтения вообще не ясно. Наверное, потому что сам термин «кристалл времени» остался вообще непонятен :(
                                          0
                                          На сколько я понял, они взяли ионы иттербия которые вращаются в кольце и охладили до абсолютного нуля. Шмякнули в кольцо лазером, продолжительность воздействия лазера — Т. Ионы начали менять свой спин один за другим, и поменяли через время 2Т.

                                          А кристалл времени получается, если взять это кольцо в разные моменты времени, и представить эти кольца как бы друг за дружкой. В нашем трёхмерном пространстве это просто кольцо, ну если в разные моменты времени, вроде как кристаллическая решётка получается, вот почему кристалл времени.
                                            +1
                                            Ни хрена не понял, но написано интересно :-)
                                              0

                                              Здесь написано более понятней( если честно, термин непонятен):
                                              Для большинства людей кристаллы — это граненые камни. Однако для Нормана Яо камни — лишь верхушка айсберга. Если обычные кристаллы имеют атомную структуру, которая повторяется в пространстве, почему не создать «кристаллы», структура которых будет повторяться во времени?


                                              Эта мысль лежит в основе понятия «кристалл времени», предложенного в 2012 году Нобелевским лауреатом по физике Фрэнком Вильчеком. Такой объект не находится в стационарном состоянии, а имеет периодичное во времени поведение. Он не может прийти в состояние равновесия.


                                              «Разве не было бы странно, если бы вы покачивали желе и обнаруживали, что каким-то образом оно отвечает с другим периодом? — объясняет Яо. — Это и есть суть кристалла времени. — У вас есть какой-то периодический „драйвер“ с периодом Т, но система синхронизирована таким образом, что вы наблюдаете колебания с периодом больше Т».

                                                –1
                                                Некто не подумал что на кристаллы может влиять какой нибудь электромагнитный пульсар?
                                                Также как он влияет на большие антенны и радары?

                                                Заявлять что мол мы обнаружили что-то в кристалле, не знаем как объяснить думаем это время…

                                                Получается так, Увы мы живем на планете которая находиться в собственном магнитном поле которое не стабильно, планета летает вокруг нашего солнца которое тоже имеет излучение во всех частях спектра. Вокруг нашей солнечной системы летает куча пульсаров, черных дыр и т.п. Заявлять что нашли какой то несвязный не счем эффект, и предполагать что это время по моему перебор…

                                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                Самое читаемое