Fizikçiler ilk kez zaman kristallerini yaratarak klasik simetrinin son parçasını ortaya çıkardı
Kristaller söz konusu olduğunda, elmaslar düşünmesi en kolay olanlardır ... Bu ışıltılı taşlar, düzenli ve tekrar eden bir düzenlemede sayısız karbon atomundan oluşur. Fizikçiler için kristaller ve evrenin temel bir özelliği simetri ilişkili.
Evrendeki tüm doğal ve insan yapımı kristaller, uzayın simetrisini değişen derecelerde kırmıştır.Şimdi insanlar tarafından yaratılan yeni bir kristal türü var.Sıradan kristallerin özelliklerini tatmin etmenin yanı sıra, aynı zamanda Zaman boyutundaki simetriyi kırdı ,Bu Zaman kristalleri (zaman kristalleri). Bu yeni kristalde, kafes zaman boyutunda düzenli olarak tekrarlanacaktır.
Şimdiye kadar, Klasik simetri-zaman simetrisinin son perdesi nihayet insanlar tarafından ortaya çıkarıldı , Bu, fizikte büyük bir başarıdır.
Fizikçiler bir zamanlar enerji tüketmeden sabit bir modelde hareket eden maddeler olan iyon tuzakları aracılığıyla "zaman kristalleri yaratmayı" umuyorlardı.
Başlangıçta grafen gibi olmasına rağmen, zaman kristallerinin hangi uygulamalara sahip olduğu hala belirsizdir. Ama en az bir şey kesindir, Zaman kristallerinin süper kararlılığı, uyumsuzluk etkilerine karşı güçlü bir silah olarak kullanılabilir. Bir kuantum halinin ömrünü garanti edin . Kuantum durumu güçlendirilebilirse, şu şekilde de kullanılabilir: Daha kararlı kuantum bilgisayar belleği oluşturun ve daha hassas ölçümler yapın.
Zaman kristali
Ağustos 2016'da arXiv'de bir makale yayınlandı Zaman kristallerinin uygulanabilir olduğunu iddia edin! Bu makale geçen hafta Physics Review Letters'da yayınlandı.Yazar, Berkeley'deki California Üniversitesi Fizik Bölümü'nde yardımcı doçent olan Norman Yao. Bu yazıda Norman Yao, harici olarak tahrik edilen zaman kristallerinin özelliklerini ayrıntılı olarak açıkladı: Temel durum periyodiktir ve sürüş süresinin tam sayı katıdır, periyot sabittir ve net bir faz geçiş sınırı vardır.
Ayrıca zaman kristallerini hazırlamak için özel bir plan önerdi . Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley liderliğindeki bir ekip planında, saç tellerinin yalnızca onda biri ile küçük bir tuzak oluşturacak ve ardından bu tuzağa 100 kalsiyum iyonu enjekte edecek. Coulomb eylemi bu 100 iyonu eşit şekilde yapacak. Tuzağın kenarına dağılmıştır. Bu sırada lazerle soğuduktan sonra iyonlar zemin durumundadır ve ardından araştırmacılar statik bir manyetik alanı açacaktır.Yao'nun teorisine göre kalsiyum iyon halkası manyetik alanda dönmeye başlayacaktır (ve kalıcı olarak dönecektir) Her şey yolunda giderse, bu iyonlar arada bir orijinal konumlarına geri dönecekler ve böylece zamanda tekrar tekrar düzenlenmiş bir kafes oluşturacaklar "ve zaman simetrisi bozulacaktır.
Norman Yao
hızlı bir şekilde, İki araştırma ekibi, Norman Yao tarafından çizilen plana göre ilk kez kristallerini üretti. , Tamamen farklı bir cihaz kullanarak. Maryland Üniversitesi ve Harvard Üniversitesi'nden iki ekip, sonuçlarını internette yayınladı ve yayınlanmak üzere sundu.İki makalenin ortak yazarı Norman Yao.
Zaman kristallerinin zaman içinde tekrar etmeye devam etmesinin nedeni, tıpkı bir jölenin periyodik olarak sürekli sallanması gibi, döngüsel bir dürtüye maruz kalmalarıdır. Norman Yao, buradaki en büyük atılımın, bu kristallerin zaman içinde periyodik olarak tekrarlamasına neden olmadığını açıkladı ", demek daha iyidir. Denge dışı yeni bir malzemeyi geniş ölçekte ilk kez ürettik. . Temel durumları asla durmaz ve elmas veya yakut gibi nispeten durağan bir denge durumuna dönemez.
Bu yeni bir durumdur , Daha fazlası yok. Ama bunda da harika Bu, maddenin dengede olmayan ilk hali "Norman Yao, son yarım yüzyılda, metaller ve yalıtkanlar gibi denge maddelerini inceliyoruz ve bugün denge dışı maddelerin harika dünyasını keşfetmeye başlayacağımızı söyledi."
Berkeley Kaliforniya Üniversitesi'ndeki zaman kristali deneyi, kalsiyum iyonlarının bir kristal halka oluşturmaları için 100 mikron genişliğindeki bir tuzakta bir elektrik alanı ile çevrildiğini açıkladı.Bilim adamları, statik bir manyetik alanın halkayı döndürdüğüne inanıyor.
Olumsuz keşif
Öyleyse zaman simetrisini kırmak neden bu kadar zor? Bu aynı zamanda kristal ve simetri kırılmasından da başlar.
Hepimizin bildiği gibi, doğanın yasalarının kendileri simetriyi tatmin eder. Düz zeminde bir mekanik deneyinin sonuçları, yüksek hızlı bir trende yapılan bir deneyin sonuçlarıyla aynıdır.Aynı deneyin dün ve bugün sonuçları da aynıdır. Çünkü mekaniğin ilkesi uzay çevirisinin simetrisini ve zaman çevirisinin simetrisini tatmin eder. Ek olarak, dönme simetrisi ve ters simetri vardır.
Simetri doğanın güzelliğini ve uyumunu yansıtır, Ancak fiziksel sistemin kararlı durumu (temel durumu) simetrik değildir. Basit bir örnek olarak, masanın üzerine bir kurşun kalem dikin Teorik olarak kalemin ağırlığı dikey olarak aşağı doğru ve yatay düzlemde simetriktir, yani kalemin herhangi bir yöne düşme olasılığı eşittir. Şu anda, kalemin durumu simetriyi tatmin ediyor.
Bununla birlikte, ereksiyon, kalemin en düşük enerji durumu değildir.Küçük bir rahatsızlık meydana geldiğinde, düşmek için yalnızca bir yön seçebilir. Kalemin düştüğü durum en düşük enerjiye (yani temel duruma) sahiptir ve simetri yoktur. Daha genel bir ifadeyle, kristal simetriyi kırmanın mükemmel bir örneğidir, kristale farklı yönlerden baktığınızda farklı bir görünüm görebilirsiniz. Doğa kanunlarının simetrik olduğu ve maddenin durumunun asimetrik olduğu bu fenomene spontan simetri kırılması denir.
Uzay simetrisi bozulabileceğine göre, neden zaman simetrisi olmasın?
Frank Wilczek
2012'de Nobel Ödülü sahibi Frank Wilczek bu soruyu sordu. Aynı yıl Fizik İnceleme Mektupları üzerine iki makale yayınladı, sırasıyla Klasik mekanik ve kuantum mekaniği altında zaman simetrisinin kırılma olasılığı açıklanmıştır.
Basit ifadeyle, Özel bir şekilde, maddenin temel hali bir döngü içinde olabilir . Kristal yapının uzaydaki periyodik dizilişine karşılık gelen bu malzeme de zaman içinde periyodik olarak düzenlenir. "Bu malzemeye çok canlı bir isim-zaman kristali verdi. Şunu da belirtmek gerekir ki, Genellikle kristaller zaman boyutunda sürekli olarak dağılır. , Onları her an gözlemlemek aynı kristalleri görecektir ve Zaman kristallerinin farklı zamanlarda farklı temel durumları vardır.
Sorun simetriktir ve çözüm asimetriktir; doğa kanunu simetriktir ve kanun tarafından yönetilen maddenin durumu asimetriktir Bu kendiliğinden simetri kırılmasıdır.
Takip eden yıllarda, Birçok fizikçi hala zaman kristallerinin varlığına karşı çıkıyor Çünkü zaman kristallerinin kaçınılmaz olarak zaman boyutunda simetrinin kırılmasına yol açacağına inanıyorlar ki bu imkansız. Periyodik fenomenler hayatımızda her yerde bulunsa da (saatler ve saatler, dünyanın dönüşü vb.), Herhangi bir maddenin temel durumunun düzgün zaman ekseninde periyodiklikle işaretlenebileceğini henüz kanıtlamak mümkün olmamıştır.
Zaman kristallerinin özü
UC Berkeley fizikçisi Norman Yao'nun planına göre, Maryland Üniversitesi'ndeki fizikçiler, ilk kez bir zaman kristali oluşturmak için tek boyutlu bir iterbiyum iyon zinciri kullandılar. Her iyonun elektron gibi bir dönüşü vardır ve aralarındaki uzun menzilli kuvvet şekildeki okla gösterilmiştir.
Norman Yao'nun planına göre, Maryland Üniversitesi'nden Chris Monroe ve meslektaşları, Eylül 2016'da 10 iterbiyum iyonlu bir zincir inşa ettiler. Bu 10 iterbiyum iyonunun elektronlar gibi dönüşleri vardır. Başka bir deyişle, Artık izotropik değiller, ancak bir ok gibi belirli bir yönü gösteriyorlar, Ve bu spin taşıyan iyonlar manyetik bir alanda etkileşime giriyor.
Araştırmacılar dönüşümlü olarak iterbiyum iyon zincirini iki hassas şekilde modüle edilmiş lazer darbesiyle ışınladılar. Darbelerden biri, iterbiyum iyonlarının dönüşlerini çevirir (örneğin, yukarıdan aşağıya veya tersi) ve ardından ikinci darbenin ürettiği manyetik alan, bunların kaotik bir duruma girmesine neden olur ve ardından başka bir darbe, yönlerini yeniden çevirmelerine neden olur. Geri ve ileri.
Araştırmacılar, spin flip periyodunun sürüş periyodunun (T) iki katı uzunluğunda (2T) stabilize olduğunu buldular. İşin büyüsü şudur ki, ters dönme darbesi her seferinde tam olarak aynı olsa da, iterbiyum iyonları geri gitmeyi seçmek yerine kendiliğinden öncekinden farklı bir yöne sapar; Daha da şaşırtıcı olan, nabız frekansı ortada biraz değişse bile, iterbiyum iyonunun 2T periyodunda kesinlikle ters dönmesidir. Bu tam olarak Norman Yao'nun makalesindeki zaman kristalinin doğasıdır.
İterbiyum iyonları periyodik olarak iki darbe altında çevrilir. Darbe frekansı T ve dönüş sistemi frekansı 2T'dir. Darbe frekansının mikrodalga değişimi iterbiyum iyonunun frekansını etkilemez.
Bir jöleyi sallayıp farklı bir frekansta tepki verdiğini fark ettiğinizde o kadar şaşırtıcı değil mi? "Norman Yao dedi. Ama bu, zaman kristallerinin özüdür. Sürüş süreniz T'dir, ancak sistem senkronizasyona ulaştığında, T'den daha büyük bir süre ile titrediğini görürsünüz. "
Norman Yao, Monroe ve ekibinin bu yeni malzemeyi üretme sürecine dahil oldu ve onun yardımıyla ekip, zaman kristallerinin özelliklerine sahip olduğundan emin olmak için malzemenin bazı önemli özelliklerini ölçtü. Norman Yao ayrıca zaman kristallerinin farklı manyetik alanlar ve lazer frekansları altında buz küpleri gibi durumlarını nasıl değiştirdiklerini de anlattı. Ve diğer tarafta, Mikhail Lukin liderliğindeki Harvard ekibi, delikler elde etmek için elmaslara nitrojen atomları katarak zaman kristallerini yarattı. . Ve onların zaman kristalleri, aynı zamanda mükemmel stabiliteye ve net durum sınırlarına sahip olan bir 3T periyoduna sahiptir.
Indiana Üniversitesi'nden Phil Richerme, Physical Review Letters'daki makaleye yorum yaptı: Benzer bir sonuç, birbiriyle alakasız iki sistemden geldi. Bu ayrıca, zaman kristallerinin geniş çapta var olan yeni bir madde durumu olduğunu doğrular. Ayrıntılı tasarım yoluyla karmaşık bir sistem kullanmak yerine. Zaman kristallerinin keşfi, doğada simetri kırılmalarının yaygın olduğunu doğruladı ve ayrıca yeni araştırma alanlarının yolunu açtı. "
Şu anda Norman Yao, zaman kristali keşfi yoluna devam ederek bazı yeni olası denge dışı malzemeler üzerinde teorik araştırmalar yapıyor.
