Fizycy tworzą pierwszy na świecie kryształ czasu

Kryształy to niezwykłe obiekty, nie tylko ze względu na swoją symetrię. Kryształy tworzą powtarzające się wzory, które są takie same w niektórych kierunkach, ale nie we wszystkich kierunkach. To trochę zaskakujące, biorąc pod uwagę, że prawa fizyki, które rządzą ich powstawaniem, są takie same we wszystkich kierunkach.

To, że prawa fizyki są przestrzennie symetryczne, a kryształy nie, jest zjawiskiem znanym jako łamanie symetrii. Dzieje się to nie przez dodanie energii do systemu, ale przez jej odebranie. Rzeczywiście, kryształy są przejawem systemów w ich najniższych stanach energetycznych.

Ale prawa fizyki są symetryczne nie tylko w przestrzeni, ale także w czasie. Rodzi to interesujące pytanie, czy w ten sam sposób można złamać symetrię czasową. Innymi słowy, czy można stworzyć kryształy czasu?

Dziś odpowiedź otrzymujemy dzięki pracy Chrisa Monroe z University of Maryland w College Park oraz kilku kumpli, którzy po raz pierwszy stworzyli kryształ czasu w swoim laboratorium.

Podstawowy proces tworzenia kryształów czasu jest prosty. Pomysł polega na stworzeniu układu kwantowego, takiego jak grupa jonów ułożonych w pierścień, i schłodzeniu ich, aż osiągną najniższy stan energetyczny. W takich okolicznościach prawa fizyki sugerowałyby, że pierścień powinien być idealnie stacjonarny.

Ale jeśli symetria czasowa zostałaby złamana, pierścień mógłby się okresowo zmieniać w czasie. Innymi słowy, obróci się. Oczywiście nigdy nie byłoby możliwe wydobycie energii z tego ruchu – to naruszałoby zasadę zachowania energii. Jednak łamanie symetrii czasowej przejawiałoby się w tym powtarzającym się ruchu w czasie, tak jak łamanie symetrii przestrzennej przejawia się jako powtarzające się wzory w przestrzeni.

Taka jest teoria, ale w prawdziwym świecie sprawy nie są takie proste. Główny problem polega na tym, że światem kwantowym nie rządzą zmienne zależne od czasu, więc symetria czasu nie może zostać złamana w tej skali. Tak więc w zwykłych okolicznościach, schłodzenie pierścienia jonów do ich najniższego stanu energetycznego pozostawiłoby je w bezruchu.

Istnieją jednak okoliczności, w których systemy kwantowe ewoluują w czasie. Munro i spółka skupili się na tych: układach kwantowych, które nie są w równowadze. Ich układ kwantowy to linia jonów iterbu ze spinami, które oddziałują ze sobą.

Ta interakcja prowadzi do szczególnego rodzaju zachowania. Jedną z dziwnych cech cząstek kwantowych jest to, że zwykle nie istnieją w określonych miejscach. Zamiast tego są rozmazane w przestrzeni z szansą, że pojawią się w dowolnym miejscu, rządzą się prawami prawdopodobieństwa.

Ale w niektórych okolicznościach może się to zmienić. Na przykład pojedynczy elektron wewnątrz materiału może interferować ze sobą w sposób, który zmusza go do pojawienia się w jednym miejscu. Jest to znane jako lokalizacja Andersona, od nazwiska fizyka, który przewidział to w latach 50. XX wieku.

Niedawno fizycy zbadali grupy cząstek kwantowych, które oddziałują ze sobą w sposób, który powoduje, że wszystkie się lokalizują. Ta tak zwana lokalizacja wielu ciał jest stanem delikatnym, który utrzymuje cząstki kwantowe w stanie nierównowagi. Innymi słowy, zmusza je do lokalizacji. I dokładnie tak zachowuje się ten łańcuch jonów iterbu.

Jedną z kluczowych właściwości tych jonów jest ich namagnesowanie lub spin, które można obracać w górę lub w dół za pomocą lasera. Odwrócenie rotacji jednego jonu powoduje odwrócenie następnego i tak dalej. Te interakcje spinowe następnie oscylują z szybkością, która zależy od tego, jak regularnie laser odwraca pierwotny spin. Innymi słowy, częstotliwość jazdy określa tempo oscylacji.

Ale kiedy Monroe i spółka zmierzyli to, odkryli inny efekt. Ci faceci odkryli, że po umożliwieniu ewolucji systemu, interakcje zachodziły w tempie dwukrotnie większym niż pierwotny okres. Ponieważ nie ma siły napędowej w tym okresie, jedynym wytłumaczeniem jest to, że symetria czasowa musiała zostać złamana, co pozwala na dłuższe okresy. Innymi słowy, Monroe i spółka stworzyli kryształ czasu.

Zespół przystąpił do pomiaru niektórych właściwości tych kryształów. Odkryli na przykład, że zmiana częstotliwości napędzania nie zmienia częstotliwości kryształu czasu. Mówią, że reprezentuje to „sztywność” dyskretnego kryształu czasu.

Odkryli, że inne perturbacje mogą w końcu zniszczyć kryształ czasu. Kiedy perturbacje są zbyt duże, kryształ „topi się”, mówią Monroe i spółka.

To interesująca, choć ezoteryczna praca. Pokazuje, że kryształy czasu mogą rzeczywiście istnieć, jak przewidzieli w 2012 roku zdobywca nagrody Nobla fizyk Frank Wilczek z MIT i Al Shapere z University of Kentucky.

Jeśli chodzi o aplikacje, Monroe i spółka przedstawiają kilka sugestii. Mówią na przykład, że kryształy czasu można wykorzystać do zadań związanych z informacją kwantową, takich jak implementacja solidnej pamięci kwantowej.

Jednak egzotyczna natura lokalizacji wielu ciał i fakt, że jest ona nadal słabo poznana, może oznaczać, że inni fizycy będą chcieli dokładnie sprawdzić naturę tego efektu, zanim potwierdzą, że naprawdę pokazuje on istnienie kryształów czasu.

Jest więc więcej ekscytującej pracy do wykonania.

Nr ref.: http://arxiv.org/abs/1609.08684 : Obserwacja kryształu czasu dyskretnego

ukryć