Часові кристали — це феномен, існування якого вперше передбачили у 2012 р. Тепер дослідники вперше в історії створили такі кристали. Вони переконані, що в майбутньому їх можна буде використати для квантового зберігання даних.
Кристали — це екстраординарні обєєкти завдяки передусім своїй симетрії. Вони утворюють повторювані структури, які однакові у деяких напрямках, але не у всіх. Це — сюрприз, адже закони фізики, які лежать в основі їх утворення, діють однаково у всіх напрямках.
Те, що закони фізики симетричні, а кристали — ні, у фізиці називають явищем розбивання симетрії. Це явище виникає не тоді, коли системі додають енергію, а навпаки — тоді, коли її забирають. Кристали — це спосіб існування фізичних систем у найнижчих енергетичних станах.
Але закони фізики симетричні не тільки в просторі, а й у часі. Звідси, отже, випливає цікаве запитання: чи можна часову симетрію розбити так само, як просторову? Чи можна, отже, створити часові кристали?
Відповідь на це запитання знайшла команда фізиків під орудою Кріса Монро з Університету Меріленду в Коледж-Парку. Вперше в історії у своїй лабораторії вони створили часовий кристал.
Принцип, який лежить в основі таких кристалів, є дуже прямим. Ідея полягає в тому, щоб створити квантову систему, наприклад групу іонів, об'єднаних в кільце, і охолодити її настільки, поки вона не опиниться в найнижчому енергетичному стані. В таких умовах із законів фізики має випливати, що кільце мусить бути ідеально постійним.
Але якщо часова симетрія порушена, то воно періодично змінюватиметься в часі, тобто буде обертатись. З цього обертання неможливо отримати енергію, адже це порушуватиме закон збереження енергії. Але в цьому повторюваному русі виявлятиметься часовий розлам симетрії, подібно до того, як просторовий виявляється в порушенні симетрії структури.
Це — теорія. На практиці, однак, не все так просто. Проблема полягає в тому, що квантовий світ не керується залежними від часу змінними, тож часову симетрію неможливо вписати у цю шкалу. За звичайних обставин навіть якщо охолодити кільце іонів до найнижчого енергетичного стану, воно і надалі може бути стаціонарним.
Існують, щоправда, обставини, за яких квантові системи можуть розвиватися в часі. Саме на квантових системах, які не перебувають у стані рівноваги, зосередила свою увагу команда Монро. Для експерименту вони обрали мережу іонів ітербію зі спінами, що взаємодіють один з одним.
Ця взаємодія зумовлює особливий тип поведінки. Одна зі специфічних рис квантових частинок полягає в тому, що вони зазвичай не перебувають у специфічних локаціях. Натомість вони «розмазані» в просторі й за законами ймовірності можуть появлятися будь-де.
У деяких випадках це, однак, може змінитися. Як приклад можна навести феномен локалізації Андерсона, відкритий у 1950-х рр. Філіпом Андерсоном (Нобелівська премія з фізики 1977 р.), коли електрон внаслідок інтерференції з самим собою може появитися в єдиному місці.
Нещодавно фізики дослідили групу квантових частинок, які взаємодіють одна з одною у спосіб, що змушує їх стати локалізованими. Ця так звана «локалізація основного тіла» є делікатним станом, що змушує частинки перебувати не у стані рівноваги. Саме так ланцюг іонів ітербію і поводиться.
Однією з їх ключових властивостей є магнетизація, тобто спін, який за допомогою лазера можна перемикати вгору або вниз. Оскільки іони пов'язані між собою, перемикання спіну одного з них автоматично зумовлює перемикання спіну іншого і т. д. Ця взаємодія залежить від того, як часто лазер перемикає ориґінальний спін. Іншими словами, рушійна частота ззовні зумовлює частоту коливання квантової системи.
Однак коли Монро та його колеґи виміряли це, вони побачили інший ефект. Як виявилося, частота взаємодії всередині системи вдвічі перевищувала ориґінальну частоту. Оскільки жодної рушійної сили з таким періодом не існує, єдине пояснення полягає в тому, що довші періоди зумовило порушення часової симетрії, тобто команда Монро створила часовий кристал.
У наступних дослідженнях вони відкрили кілька цікавих властивостей часових кристалів. Наприклад, те, що зміна рушійної частоти не змінює частоту коливання часового кристалу, а також те, що критичне значення збурень може його знищити.
Дослідження Кріса Монро та його команди є цікавим, якщо не езотеричним. Воно доводить, що часові кристали, які чотири роки тому передбачили Френк Вільчек (Нобелівська премія з фізики 2004 р.) та Альфред Шапіро, таки справді можуть існувати.
Щодо практичних завдань цих систем, то Монро та Ко мають кілька пропозицій. Наприклад, вони кажуть, що часові кристали можна використовувати для квантово-інформаційних завдань, таких як імплементація тривалої квантової пам'яті.
Екзотична природа цього ефекту, а також відсутність його глибокого розуміння, однак, може спонукати наукову спільноту вимагати додаткових експериментів та доказів його існування.
Physicists Create World’s First Time Crystal
MIT Technology Review, 4/10/2016
Зреферував Євген Ланюк
09.02.2017