Fizik tartışmalarını-faz geçişlerini, simetri kırılmasını ve zaman kristallerini çözmek için 30 sayfalık el hesaplamaları
Kendiliğinden simetri kırılması, sihirli bir şekilde birçok yeni malzemenin ortaya çıkmasına neden olabilir. Lafta "simetri" , Dır-dir Uzay, zaman ve enerji gibi karşılık gelen yönlerde, maddenin fiziğinin yapısı, özellikleri ve yasaları değişmeden kalır. . Simetri bozulduğunda, maddenin fiziksel durumunda, ısıl iletkenliğinde, elektriksel iletkenliğinde ve gerilim özelliklerinde bir dizi değişiklik olacaktır.
Şekil Sorun simetriktir ve çözüm asimetriktir; doğa kanunları simetriktir ve kanunlar tarafından yönetilen maddenin durumu asimetriktir, bu da spontan simetri kırılır
Bu konu günlük hayatımıza uygulanırsa en doğrudan tezahürü Fiziksel değişim . Örneğin, su moleküllerinin buz kristallerinde soldan sağa ve yukarıdan aşağıya dizilişi son derece düzenli bir durum, yani Uzayda öteleme simetrisine sahiptir. Örneğin, buzun suda eritilmesi süreci aslında öteleme simetrisinin kırıldığı bir süreçtir. Kırık sıvı su oldukça düzensizdir ve sözde faz geçişine ulaşmıştır. .
Hiç şüphe yok ki matematikte yüksek sıralı kristallerin anlaşılması kolaydır - standart atmosfer basıncında belirli bir erime noktasına ve kaynama noktasına sahiptirler ve fizikçiler halihazırda fiziksel özelliklerini özetlemek için bir dizi teori önermişlerdir. Bununla birlikte, cam, donmuş gıda ve plastik dahil olmak üzere faz geçiş süreci için evrensel olarak kabul edilmiş bir teori yoktur.
Şekil Mikroskop altında amorf (sol) ve kristal (sağ) yapılar
İtiraf etmeliyim ki fizikçiler 30 yıldır amorf kristallerde faz geçiş süreci olup olmadığını tartışıyorlar. Yalnızca teorik modellerde bulunur ve gerçek amorf maddelerde doğrulanamaz.
Ancak, parçacık fiziğinin yardımıyla, Duke Üniversitesi araştırmacısı Sho Yaida kısa süre önce Sonunda, 30 yıllık tartışma düzinelerce sayfalık uzun el hesaplamalarıyla çözüldü.
Şekil Duke Üniversitesi araştırmacısı Sho Yaida, otuz sayfalık el yazısıyla yazılmış hesaplamalar sayesinde, düşük sıcaklıklarda cam gibi "düzensiz" malzemelerin faz problemini nihayet sona erdirdi. Bu aşama, maddenin tamamen yeni bir teorik hali olabilir
Bu bağlamda, Sho Yaidanın Kimya Bölümü ve Duke Üniversitesi Kimya Bölümü profesörü Patrick Charbonneau, bu aşama geçişinin varlığına dair ipuçları bulduklarını, ancak akademik dünya bu aşama geçişinin imkansız olduğuna inandığı için bunu daha önce söylemeye cesaret edemediğini söyledi. mevcut. Her durumda, araştırma sonuçları şunu kanıtladı: Bu faz geçişi tamamen mümkündür.
Bu kimya profesörü için bu araştırmanın en tuhaf kısmı şudur: Farazi yüksek boyutlu bir evrende camın ve diğer düzensiz sistemlerin matematiksel modelini çözmek aslında daha kolaydır. . Sonsuz boyutlar söz konusu olduğunda, kristallerin faz problemini üç boyutlu bir görüntü üzerinde çözdüğümüz gibi, özellikleri de daha kolay ve anlaşılır bir şekilde genişletilebilir.
Bununla birlikte, bu faz değişikliği üç boyutta da var mı? 1980'lerde bir araştırma ekibi bu olasılığı matematiksel hesaplamalarla reddetti. Bu nedenle, geçtiğimiz otuz yılda akademik çevredeki genel görüş hala, Üç boyutlu dünyada yüksek boyutlarda bulunan hesaplama sonuçları geçersizdir.
Yakın zamana kadar Charbonneaunun simülasyon deneyi şunu buldu: Üç boyutlu camda da faz değişiminin ipuçları var.
Şekil Erken hesaplamalar faz diyagramında (soldaki resim) bir kesişme noktası bulamadı ve faz geçişinin kesin zamanlamasını belirleyemedi. Yaidanın araştırması bu noktanın yerini belirledi ve düşük sıcaklıklarda camın faz geçiş koşullarını buldu.
Ancak hesaplama sonuçlarına baktıktan sonra, parçacık fiziğinde bir geçmişi olan Yaida, aniden, geçmiş araştırmaların bu faz değişimi olasılığını tamamen inkar edemeyeceğini anladı, belki biraz daha fazla hesaplama bulabilir. Bu durum değişikliğinin zamanlama düğümü. Yani, 30 sayfada bir aylık manuel hesaplamalardan sonra, Yaida sonunda yaptı.
Bu bakımdan içini çekmekten kendini alamadı: "Bu sıkı çalışma süreci bu yüzden kendimi bilime adadım. Bu küçük sabit nokta bu alandaki araştırmacılar için büyük önem taşıyor. 1970'lerde ve 1980'lerde keşfedilen egzotik nesneleri gerçek üç boyutlu dünyada anlamlı kılar. . "
Resim Duke Üniversitesi doktora sonrası araştırmacı Sho Yaida (solda) ve danışmanı Patrick Charbonnea
Aslında, yeni araştırma motivasyonu, bu adımın muhtemelen cam oluşumu sürecinde var olması, Ve amorf faz geçişinin var olduğu kanıtlandıktan sonra, malzeme alanında ölçülemez bir etkisi olacaktır. Cevap olarak Charbonneau, Üç boyutlu dünyada bu noktanın olasılığını ciddiye almalıyız. Gölge Sesin iletimi, ısının emilmesi, bilgi içeriğinin iletimi . Bu araştırma, ister bir plastik kütlesi, ister gevşek bir kum diski veya bir parça cam olsun, amorf malzemeler hakkındaki anlayışımızı derinden etkiledi. "
Titiz bir incelemeden sonra, bu manuel hesaplamanın sonuçları nihayet 26 Mayıs'ta "Fiziksel İnceleme Mektupları" nda yayınlandı.
Şekil Düşük sıcaklıklarda camın "düzensiz" durumu yeni bir teorik aşama olabilir
Kristal hal değişimlerindeki önemli rolünün yanı sıra simetri kırılması konusuna geri dönersek, bu teori fizik camiasındaki tüm önemli konulardan ayrılamaz. Örneğin, gösterge simetrisinin kırılması bir iletkeni bir süper iletkene dönüştürebilir ve Abelyen olmayan bir ayar alanının kırılması temel parçacık kütlesini verebilir.
Aslında, son zamanlardaki sıcak zaman kristalleri de Maddenin simetrisinin zamanla kırılması . Maddenin durumu her zaman sürekli olmalıdır, yani dış etki yoksa, önceki saniyenin yapısı ve sonraki saniyenin yapısı sürekli ve aynı olmalıdır. Madde kendiliğinden zaman içinde periyodik değişiklikler gösteriyorsa, "Zaman kristali" doğdu.
Ağustos 2016'da, Berkeley Kaliforniya Üniversitesi Fizik Bölümü'nde yardımcı doçent olan Norman Yao, Physical Review Letters'da, yaptıkları kalsiyum iyon tuzağının kalsiyum iyon halkasının manyetik bir alanda kalıcı olarak dönmeye başlamasına rehberlik edebileceğini gösteren bir makale yayınladı ve Arada bir orijinal konumuna geri dönecek, böylece zaman içinde tekrar tekrar düzenlenmiş bir "kafes" oluşturacak ve zaman simetrisi bozulacaktır.
Şekil Berkeley'deki California Üniversitesi'nin zaman kristali deneyi gösteriyor: Kalsiyum iyonları, kristal bir halka oluşturmaları için 100 mikron genişliğinde bir "tuzak" içinde bir elektrik alanı ile çevrelenmiştir. Bilim adamları, statik manyetik alanın halkanın dönmesine neden olduğuna inanıyor
Başlangıçta grafen gibi olmasına rağmen, zaman kristallerinin hangi uygulamalara sahip olduğu hala belirsizdir. Ancak en azından bir şey kesindir, zaman kristallerinin süper kararlılığı, bir kuantum halinin ömrünü garantilemek için eş evreli olmayan etkilere karşı güçlü bir silah olarak kullanılabilir. Kuantum durumu güçlendirilebilirse, daha kararlı kuantum bilgisayar belleği yapmak ve daha doğru ölçümler yapmak için de kullanılabilir.
Dolayısıyla bu yıl Mart ayında yayınlanan "Nature" dergisi de bu keşfi detaylı bir şekilde kapak yazısı olarak yorumladı.
Şekil Mart 2017'de yayınlanan "Nature" dergisinin kapak makalesi: "Time Crystal"
