Den første eksperimentelle realisering af en dissipativ tidskrystal

En tidskrystal er en unik og eksotisk fase af stof, der først blev forudsagt af den amerikanske fysiker Frank Wilczek i 2012. Tidskrystaller er tidsmæssige analoger til mere konventionelle rumkrystaller, da begge er baseret på strukturer karakteriseret ved gentagne mønstre.

I stedet for at danne gentagne mønstre på tværs af tredimensionelle (3D) rum, som rumkrystaller gør, tidskrystaller er karakteriseret ved ændringer over tid, der sker i et fast mønster. Mens nogle forskerhold har været i stand til at realisere disse eksotiske faser af stof, indtil nu, disse erkendelser er kun opnået ved hjælp af lukkede systemer. Dette rejste spørgsmålet om, hvorvidt tidskrystaller også kunne realiseres i åbne systemer, i nærvær af dissipation og dekohærens.

Forskere ved Institut for Laserfysik ved Universitetet i Hamborg har for nylig realiseret en tidskrystal i et åbent kvantesystem for første gang. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , kunne have vigtige implikationer for studiet af eksotiske faser af stof i kvantesystemer.

"Det primære formål med vores forskning er at undersøge dynamiske faser af stof kendt for, hvordan deres egenskaber ændrer sig over tid på en velordnet måde, Hans Kessler, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Under mit ph.d.-studie, mine kolleger og jeg undersøgte faseovergangen fra en homogen BEC til en selvordnet super-strålende fase, og vi studerede, hvordan systemet reagerer på en quench fra en steady state til en anden."

Da ingen fysisk tilstand er medfødt stabil, det næste skridt for den tidligere forskning udført af Keßler og hans kolleger var at undersøge dynamiske faser af stof. Disse er i det væsentlige overgange, hvorigennem materialer ændrer deres egenskaber over tid.

Hovedformålet med forskernes nylige undersøgelse var at realisere en dissipativ tidskrystal i laboratoriemiljø. At gøre dette, de brugte et kvante-mangelegemesystem stærkt koblet til et smalbåndet optisk hulrum.

"Det var afgørende for vores eksperimenter, at lysfeltet inde i resonatoren og tætheden af ​​mange-kropssystemet udviklede sig på samme fod, som er givet af kavitetsbåndbredden og frekvensen svarende til en enkelt fotonisk rekyl, henholdsvis, " Keßler forklarede. "Denne situation er unik i vores atom-hulrum system og åbner mulighed for at studere dynamiske faser af stof."

Da virkelige fysiske systemer aldrig er fuldstændigt isolerede fra deres omgivelser, de er modtagelige for spredning (dvs. tab eller spild af energi). Dette gør det vanskeligt eller umuligt at realisere kvantesystemer, der virkelig er lukkede i vilkårlige længder af tid. Det var det, der i sidste ende inspirerede Keßler og hans kolleger til i stedet at forsøge at realisere en tidskrystal i et åbent kvantesystem.

"Indtil nu, tidskrystallerne, der blev demonstreret i forskellige grupper, krævede omhyggelig isolation fra miljøet, da dissipation har den uønskede effekt at 'smelte' disse tidskrystaller, "Sagde Keßler." Det unikke ved tidskrystallet i vores atom-hulrumsopsætning er dens positive rolle i at forhindre spredning, da det er med til at stabilisere systemets dynamik. Demonstrationen af ​​tidskrystallinsk orden i et åbent system er således den vigtigste præstation i vores undersøgelse."

Den nylige undersøgelse fra dette hold af forskere giver stærke beviser for, at en diskret tidskrystal kan eksistere i et drevet og åbent atom-hulrumssystem. Keßler og hans kolleger forsøger nu at realisere en kontinuerlig tidskrystal ved hjælp af det samme atom-hulrum-system, som de brugte i deres seneste arbejde.

Nøgleforskellen mellem denne kontinuerlige dissipative tidskrystal og den diskrete dissipative tidskrystal realiseret som en del af deres nylige undersøgelse er, at førstnævnte svinger selv i fravær af en tidsperiodisk drift. Som et resultat af denne svingning, den nye krystal, som de undersøger, bryder spontant en kontinuerlig tidsoversættelsessymmetri.

"Som vi foreslog for scenariet skitseret i vores seneste papir, vores atom-hulrum system vil skifte til en tilstand af stof karakteriseret ved periodiske svingninger med en eller anden iboende frekvens, " Keßler tilføjede. "Den relative fase af oscillationerne i en sådan tidskrystal forventes at tage alle værdier mellem 0 og 2pi. Dette er meget forskelligt fra diskrete tidskrystaller, hvor den relative fase kun kan være enten 0 eller pi. På en måde, en kontinuert tidskrystal er tættere på en fast krystal, idet de begge bryder kontinuerlig symmetri.

© 2021 Science X Network