Ученые
Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и исследовательского
центра Microsoft Station Q подтвердили возможность существования временных
кристаллов, долгое время считавшихся математическим курьезом.
Их исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Впервые идею существования временных кристаллов предложил в 2012 году нобелевский лауреат, физик Фрэнк Вильчек. По его мнению, эти гипотетические объекты могут проявлять периодическое движение, к примеру, движение по окружности, в основном состоянии. С тех пор многие ученые высказывались в пользу невозможности таких кристаллов, поскольку это нарушает фундаментальную симметрию законов физики.
Для начала группа физиков решила разобраться, что такое спонтанное нарушение симметрии. «Ключевое отличие заключается в разнице между явным и спонтанным нарушением симметрии, — объясняет соавтор статьи Доминик Эльзе. — Если симметрия нарушена явно, тогда законы природы больше не симметричны; если спонтанно — то законы природы обладают симметрией, но природа выбрала такое состояние, в котором симметрия нарушена».
Если временные кристаллы спонтанно нарушают симметрию смещения по времени, тогда законы природы, которые управляют ими, не будут меняться со временем, но сами кристаллы изменятся благодаря своему движению, и спонтанно нарушат симметрию.
Для начала группа физиков решила разобраться, что такое спонтанное нарушение симметрии. «Ключевое отличие заключается в разнице между явным и спонтанным нарушением симметрии, — объясняет соавтор статьи Доминик Эльзе. — Если симметрия нарушена явно, тогда законы природы больше не симметричны; если спонтанно — то законы природы обладают симметрией, но природа выбрала такое состояние, в котором симметрия нарушена».
Если временные кристаллы спонтанно нарушают симметрию смещения по времени, тогда законы природы, которые управляют ими, не будут меняться со временем, но сами кристаллы изменятся благодаря своему движению, и спонтанно нарушат симметрию.
Хотя спонтанное нарушение временной симметрии никогда до сих пор не наблюдалось, примеров спонтанных нарушений других симметрий много — например, это происходит в магнитах, которые нарушают ее, указывая на север.
В своей статье физики определили, что требуется для спонтанного нарушения временной симметрии, и использовали затем симуляцию для предсказания появления этой нарушенной симметрии в большом классе квантовых систем. Новое определение нарушенной временной симметрии похоже на определение нарушения других симметрий.
«Значение нашей работы двоякое: с одной стороны, она демонстрирует, что временная симметрия не имеет иммунитет к спонтанному нарушению. С другой стороны, она углубляет наше понимание того, что неравновесные системы могут содержать много интересных состояний материи, которые не могли бы существовать в равновесных системах», — рассказывает Бела Бауэр, исследователь из Station Q.
В своей статье физики определили, что требуется для спонтанного нарушения временной симметрии, и использовали затем симуляцию для предсказания появления этой нарушенной симметрии в большом классе квантовых систем. Новое определение нарушенной временной симметрии похоже на определение нарушения других симметрий.
«Значение нашей работы двоякое: с одной стороны, она демонстрирует, что временная симметрия не имеет иммунитет к спонтанному нарушению. С другой стороны, она углубляет наше понимание того, что неравновесные системы могут содержать много интересных состояний материи, которые не могли бы существовать в равновесных системах», — рассказывает Бела Бауэр, исследователь из Station Q.
Ученые считают возможным провести эксперимент с использованием большой системы запертых атомов, ионов или сверхпроводящих кубитов, из которых будут созданы кристаллы, чтобы потом измерить то, как эти системы будут развиваться во времени, пишет Phys.org.