Forskere skaber tidskrystaller forudset af forskere i Princeton

Tidskrystaller kan lyde som noget fra science fiction, har mere at gøre med tidsrejser eller Dr. Who. Disse mærkelige materialer - hvori atomer og molekyler er arrangeret på tværs af rum og tid - er faktisk ganske virkelige, og åbner op for helt nye måder at tænke på materiens natur. De kan også i sidste ende hjælpe med at beskytte information i futuristiske enheder kendt som kvantecomputere.

To grupper af forskere baseret på Harvard University og University of Maryland rapporterer 9. marts i tidsskriftet Natur at de med succes har skabt tidskrystaller ved hjælp af teorier udviklet ved Princeton University. Det Harvard-baserede team omfattede forskere fra Princeton, der spillede grundlæggende roller i udarbejdelsen af ​​den teoretiske forståelse, der førte til skabelsen af ​​disse eksotiske krystaller.

"Vores arbejde opdagede den væsentlige fysik i, hvordan tidskrystaller fungerer, " sagde Shivaji Sondhi, en Princeton -professor i fysik. "Hvad er mere, denne opdagelse bygger på et sæt udviklinger i Princeton, der kommer til spørgsmålet om, hvordan vi forstår komplekse systemer ind og ud af ligevægt, hvilket er centralt vigtigt for, hvordan fysikere forklarer naturen af ​​den daglige verden."

I 2015, Sondhi og kolleger, herunder daværende kandidatstuderende Vedika Khemani, der tjente sin ph.d. ved Princeton i 2016 og er nu junior stipendiat på Harvard, samt samarbejdspartnere Achilleas Lazarides og Roderich Moessner ved Max Planck Institute for Physics of Complex Systems i Tyskland, offentliggjorde det teoretiske grundlag for, hvordan tidskrystaller - først anset for umulige - faktisk kunne eksistere. Udgivet i tidsskriftet Fysik Review Letters i juni 2016, papiret ansporede samtaler om, hvordan man bygger sådanne krystaller.

Almindelige krystaller såsom diamanter, kvarts eller is består af molekyler, der spontant arrangeres i ordnede tredimensionelle mønstre. Natrium- og chloratomer i en saltkrystal, for eksempel, er fordelt med jævne mellemrum, danner et sekskantet gitter.

Med tiden krystaller, imidlertid, atomer er arrangeret i mønstre ikke kun i rummet, men også i tide. Udover at indeholde et mønster, der gentager sig i rummet, tidskrystaller indeholder et mønster, der gentager sig over tid. En måde dette kunne ske på er, at atomerne i krystallen bevæger sig med en bestemt hastighed. Var der en tidskrystal af is til at eksistere, alle vandmolekylerne ville vibrere med en identisk frekvens. Hvad er mere, molekylerne ville gøre dette uden input fra omverdenen.

Begrebet tidskrystaller opstod hos fysiker Frank Wilczek ved Massachusetts Institute of Technology. I 2012, Nobelpristageren og det tidligere Princeton -fakultetsmedlem tænkte på lighederne mellem rum og tid. I fysiksproget, krystaller siges at "bryde translationel symmetri i rummet", fordi atomerne samles i stive mønstre frem for at blive jævnt spredt, som de er i en væske eller gas. Burde der ikke også være krystaller, der bryder translationel symmetri i tide?

"Atomerne bevæger sig i tiden, men i stedet for at bevæge sig på en flydende eller kontinuerlig måde, de bevæger sig på en periodisk måde, "Sondhi sagde." Det var en interessant idé. "Det var også en idé, der førte til varme debatter i fysikblade om, hvorvidt sådanne krystaller kunne eksistere. Den første konklusion syntes at være, at de ikke kunne, i hvert fald ikke i de indstillinger, Wilczek visualiserede.

Sondhi og Khemani tænkte på et helt andet problem i 2015, da de udarbejdede teorien om, hvordan tidskrystaller kunne eksistere. De undersøgte spørgsmål om, hvordan atomer og molekyler sætter sig ned, eller komme i ligevægt, at danne faser af stof, såsom faste stoffer, væsker og gasser.

Selvom det var almindelig visdom blandt fysikere, at alle systemer til sidst slår sig ned, arbejdet i løbet af det sidste årti eller deromkring havde udfordret denne opfattelse, specifikt blandt atomer ved meget lave temperaturer, hvor kvantefysikkens regler gælder. Det blev indset, at der er systemer, der aldrig går i ligevægt på grund af et fænomen kaldet "lokalisering af mange legemer, " som opstår på grund af mange atomers adfærd i et uordnet kvantesystem, der påvirker hinanden.

Arbejde på dette område er en lang Princeton -tradition. Det første og grundlæggende begreb om, hvordan kvantesystemer kan lokaliseres, når de er uordnede, kaldet Anderson -lokalisering, stammer fra arbejde af Philip Anderson, en Princeton -professor og nobelpristager, i 1958. Dette arbejde blev udvidet i 2006 til systemer med mange atomer af dengang Princeton -professor Boris Altshuler, postdoktor Denis Basko, og Igor Aleiner fra Columbia University.

Mens han var på sabbatår på Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems i Tyskland, Sondhi og Khemani indså, at disse ideer om, hvordan man forhindrer systemer i at nå ligevægt, ville muliggøre oprettelse af tidskrystaller. Et system i ligevægt kan ikke være en tidskrystal, men ikke-ligevægtssystemer kan skabes ved periodisk at stikke, eller "kørsel, "en krystal ved at skinne en laser på dens atomer. Til forskernes overraskelse, deres beregninger afslørede, at periodisk fremspringende atomer, der var i ikke-ligevægt, mange-kropslokaliserede faser, ville få atomerne til at bevæge sig med en hastighed, der var dobbelt så langsom-eller to gange perioden-som den oprindelige hastighed, hvormed de blev produceret.

At forklare, Sondhi sammenlignede kvantesystemets drivkraft med at presse periodisk på en svamp. "Når du slipper svampen, du forventer, at den genoptager sin form. Forestil dig nu, at den kun genoptager sin form efter hvert andet klem, selvom du anvender den samme kraft hver gang. Det er hvad vores system gør, " han sagde.

Princeton -postdoktor Curt von Keyserlingk, der bidrog med yderligere teoretisk arbejde med Khemani og Sondhi, sagde, "Vi forklarede, hvordan tidskrystalsystemerne låser sig fast i de vedvarende svingninger, der betegner en spontan afbrydelse af tidsoversættelsessymmetri." Yderligere arbejde af forskere ved Microsofts Station Q og University of California-Berkeley førte til yderligere forståelse af tidskrystaller.

Som et resultat af disse teoretiske undersøgelser, to grupper af eksperimenter begyndte at forsøge at bygge tidskrystaller i laboratoriet. Det Harvard-baserede team, som omfattede Khemani på Harvard og von Keyserlingk i Princeton, brugte et eksperimentelt setup, der involverede at skabe et kunstigt gitter i en syntetisk diamant. En anden tilgang ved University of Maryland brugte en kæde af ladede partikler kaldet ytterbiumioner. Begge hold har nu offentliggjort værket i denne uge i Natur .

Begge systemer viser fremkomsten af ​​tidskrystallinsk adfærd, sagde Christopher Monroe, en fysiker, der ledede indsatsen ved University of Maryland. "Selvom ansøgninger om dette arbejde ligger langt ude i fremtiden, disse eksperimenter hjælper os med at lære noget om det indre arbejde i denne meget komplekse kvantetilstand, " han sagde.

Forskningen kan i sidste ende føre til ideer om, hvordan man beskytter information i kvantecomputere, som kan forstyrres af interferens fra omverdenen. Lokalisering af mange organer kan beskytte kvanteinformation, ifølge forskning offentliggjort i 2013 af Princeton -teamet i David Huse, Cyrus Fogg Brackett professor i fysik, samt Sondhi og kollegerne Rahul Nandkishore, Vadim Oganesyan og Arijeet Pal. Forskningen belyser også måder at beskytte topologiske faser af stof, forskning, hvortil Princetons F. Duncan Haldane, Eugene Higgins professor i fysik, delte 2016 Nobelprisen i fysik.

Sondhi sagde, at værket behandler nogle af de mest grundlæggende spørgsmål om materiens art. "Man troede, at hvis et system ikke slår sig ned og kommer i ligevægt, man kan ikke rigtig sige, at det er i en fase. Det er en stor ting, når du kan give en definition af en fase af stof, når stoffet ikke er i ligevægt, " han sagde.

Denne indstilling uden for ligevægt har muliggjort realiseringen af ​​nye og spændende faser af stof, ifølge Khemani. "Oprettelsen af ​​tidskrystaller har givet os mulighed for at tilføje en post i kataloget over mulige ordrer i rumtid, tidligere troet umuligt, " sagde Khemani.

Papirerne "Observation af diskret tidskrystallinsk orden i et uordnet dipolært mangekroppssystem" og "Observation af en diskret tidskrystal" blev offentliggjort 9. marts af Natur .