Værdsætter den klassiske elegance af tidskrystaller

Strukturer kendt som tidskrystaller, som med tiden gentager den måde, konventionelle krystaller gentager sig i rummet, har for nylig fanget forskernes interesse og fantasi på tværs af discipliner. Begrebet er kommet ud af konteksten af ​​kvante mange-kropssystemer, men ETH -fysikere har nu udviklet en alsidig ramme, der tydeliggør forbindelser til klassiske værker, der går tilbage til næsten to århundreder, hvilket giver en samlende platform til at udforske tilsyneladende forskellige fænomener.

I en krystal, atomer er stærkt ordnede, indtager veldefinerede steder, der danner rumlige mønstre. For syv år siden, nobelpristageren i fysik fra 2004 Frank Wilczek overvejede muligheden for en tidsanalog af krystallinsk rumlig orden-systemer, der viser vedvarende periodiske tidsmæssige modulationer i deres laveste energitilstand. Konceptet med sådanne strukturer med en oscillerende grundtilstand er yderst spændende. Ak, ikke længe efter at ideen blev offentliggjort, det blev bevist, at sådanne tidskrystaller ikke er mulige uden at bryde fysikkens grundlæggende love. Imidlertid, efterfølgende teoriarbejde antydede, at når kvante mange-kropssystemer periodisk drives, nye vedvarende tidskorrelationer dukker op, der er stemningsfulde for Wilczeks tidskrystaller. Disse drevne systemer blev kaldt diskrete tidskrystaller, og i 2017, de første eksperimentelle erkendelser af sådanne tilstande blev rapporteret i ensembler af koblede partikler (ioner, elektroner og kerner), der viser kvantemekaniske egenskaber.

En ikke så kort historie om tidskrystaller

Inden længe, kloge observatører opdagede tydelige ligheder mellem diskrete tidskrystaller i kvantesystemer og såkaldte parametriske resonatorer, et begreb i klassisk fysik, der nåede tilbage til arbejdet af Michael Faraday i 1831. Forbindelsen mellem disse to arbejdsstoffer forblev, imidlertid, uigennemsigtig. Nu, teoretikere har udviklet en ny ramme, der rækker langt mod at løfte uklarhederne omkring lighederne mellem periodisk drevne klassiske og kvantesystemer.

Skriver i en artikel offentliggjort i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , Toni Heugel, en ph.d. studerende ved Institut for Fysik ved ETH Zürich, og Matthias Oscity, en studerende på samme institution, arbejder med Dr. Ramasubramanian Chitra og prof. Oded Zilberberg fra Institute for Theoretical Physics og med Dr. Alexander Eichler fra Laboratory for Solid State Physics, rapportere teoretisk og eksperimentelt arbejde, der fastslår, hvordan diskrete tidskrystaller kan genereres, der, på den ene side, kræver ingen kvantemekaniske virkninger og, på den anden side, vise ægte mangekropseffekter, hvilket er karakteristisk for diskrete tidskrystaller rapporteret i kvantesystemer.

Mange måder at subharmoniske frekvenser

Der er en indlysende lighed mellem klassiske parametriske resonatorer og eksperimentelt realiserede diskrete tidskrystaller i kvante mange-kropssystemer:Begge viser fremvoksende dynamik ved frekvenser, der er brøkdele af drivfrekvensen. I forbindelse med diskrete tidskrystaller, fremkomsten af ​​oscillationer ved sådanne subharmoniske frekvenser bryder tidsstyringen af ​​det drevne system, tilvejebringelse af en 'tidsanalog' til krystallinsk rumlig orden, hvor rummets symmetri er brudt. I klassiske parametrisk drevne systemer, subharmoniske frekvenser vises på mere velkendte måder:Et barn i sving, for eksempel, ændrer tyngdepunktet med to gange frekvensen af ​​den resulterende svingning, eller en løbers hestehale svinger med halvdelen af ​​frekvensen af ​​den lodrette hovedbevægelse.

Men har disse forskellige fænomener noget med hinanden at gøre? Ja, siger ETH -fysikerne. I særdeleshed, de lokaliserer, hvor mange-kropsaspekter optræder i klassiske systemer. For at gøre det, de betragtede klassiske ikke -lineære oscillatorer med afstemmelig kobling mellem dem.

Samlende ramme for periodisk drevne klassiske og kvante systemer

Det er velkendt, at for visse kørefrekvenser og styrker, parametriske oscillatorer bliver ustabile og undergår derefter en såkaldt periodedoblering, ud over hvilket de svinger med halvdelen af ​​deres kørefrekvens. Heugel, Oscity og deres kolleger undersøger, hvad der sker, da flere sådanne oscillatorer er koblet sammen. I beregninger såvel som i forsøg med to strenge med variabel kobling mellem dem, de finder to forskellige regimer. Når koblingen er stærk, to-strenget system bevæger sig kollektivt, genskabe i det væsentlige barnets bevægelser på en gynge eller en løbers hestehale. Imidlertid, i tilfælde af svag kobling mellem strengene, dynamikken i hver streng ligner dem, der vises af det frakoblede system. Som en konsekvens, de koblede oscillatorer bifurkerer ikke kollektivt, men bifurkerer individuelt ved lidt forskellige parametre for drevet, hvilket fører til rigere generel dynamik, som bliver stadig mere komplekse i takt med at systemerne bliver større.

ETH-forskerne hævder, at sådanne svagt koblede tilstande ligner dem, der dukker op i kvante mange-kropssystemer, hvilket indebærer, at deres ramme kan forklare den adfærd, der ses eksperimentelt i disse systemer. I øvrigt, det nye værk foreskriver generelle betingelser for at generere klassiske krystaller med mange kropstider. Disse kunne i sidste ende bruges til både at fortolke og udforske træk ved deres kvantemodstykker.

Taget sammen, disse fund danner derfor en stærk samlende ramme for periodisk drevne klassiske og kvante systemer, der viser dynamik ved nye subharmoniske frekvenser - systemer, der hidtil er blevet beskrevet i meget forskellige sammenhænge, men måske alligevel ikke så ulige.