Tilbage til grundlæggende tilgang hjælper med at optrevle ny fase af materien

En ny fase af materien, menes kun at være forståelig ved brug af kvantefysik, kan studeres med langt enklere klassiske metoder.

Forskere fra University of Cambridge brugte computermodellering til at studere potentielle nye faser af stof kendt som prætermiske diskrete tidskrystaller (DTC'er). Det blev antaget, at egenskaberne ved prætermiske DTC'er var afhængige af kvantefysik:de mærkelige love, der hersker partikler i subatomær skala. Imidlertid, forskerne fandt, at en enklere tilgang, baseret på klassisk fysik, kan bruges til at forstå disse mystiske fænomener.

At forstå disse nye faser af stof er et skridt fremad i retning af kontrol af komplekse mange-kropssystemer, et langvarigt mål med forskellige potentielle anvendelser, såsom simuleringer af komplekse kvantenetværk. Resultaterne er rapporteret i to fælles artikler i Fysisk gennemgangsbreve og Fysisk gennemgang B .

Når vi opdager noget nyt, om det er en planet, Et dyr, eller en sygdom, vi kan lære mere om det ved at se nærmere på det. Simple teorier prøves først, og hvis de ikke virker, mere komplicerede teorier eller metoder forsøges.

"Dette var, hvad vi troede var tilfældet med prætermiske DTC'er, " sagde Andrea Pizzi, en ph.d. kandidat i Cambridges Cavendish Laboratory, første forfatter på begge papirer. "Vi troede, at de grundlæggende var kvantefænomener, men det viser sig, at en enklere klassisk tilgang lader os lære mere om dem."

DTC'er er meget komplekse fysiske systemer, og der er stadig meget at lære om deres usædvanlige egenskaber. Som hvordan en standard rumkrystal bryder rum-translationel symmetri, fordi dens struktur ikke er den samme overalt i rummet, DTC'er bryder en distinkt tidstranslationssymmetri, fordi når 'rystes' med jævne mellemrum, deres struktur ændres ved hvert 'skub'.

"Du kan tænke på det som en forælder, der skubber et barn på en gynge på en legeplads, " sagde Pizzi. "Normalt, forælderen skubber barnet, barnet vil svinge tilbage, og forælderen skubber dem så igen. I fysikken, dette er et ret simpelt system. Men hvis der var flere gynger på den samme legeplads, og hvis børn på dem holdt hinanden i hånden, så ville systemet blive meget mere komplekst, og langt mere interessant og mindre indlysende adfærd kunne dukke op. En prætermisk DTC er en sådan adfærd, hvori atomerne, opfører sig lidt som gynger, kun 'komme tilbage' hvert andet eller tredje tryk, for eksempel."

Først forudsagt i 2012, DTC'er har åbnet et nyt forskningsfelt, og er blevet undersøgt i forskellige typer, herunder i forsøg. Imellem disse, prætermiske DTC'er er relativt enkle at realisere systemer, der ikke opvarmes hurtigt, som det normalt ville forventes, men i stedet udviser tidskrystallinsk adfærd i meget lang tid:jo hurtigere de rystes, jo længere de overlever. Imidlertid, man troede, at de er afhængige af kvantefænomener.

"At udvikle kvanteteorier er kompliceret, og selv når du klarer det, dine simuleringsmuligheder er normalt meget begrænsede, fordi den nødvendige beregningskraft er utrolig stor, " sagde Pizzi.

Nu, Pizzi og hans medforfattere har fundet ud af, at de for prætermiske DTC'er kan undgå at bruge alt for komplicerede kvantetilgange og i stedet bruge meget mere overkommelige klassiske. Denne måde, forskerne kan simulere disse fænomener på en meget mere omfattende måde. For eksempel, de kan nu simulere mange flere elementære bestanddele, få adgang til de scenarier, der er mest relevante for eksperimenter, som i to og tre dimensioner.

Ved hjælp af en computersimulering, forskerne undersøgte mange interagerende spins – som børnene på gyngerne – under påvirkning af et periodisk magnetfelt – som forælderen, der skubbede gyngen – ved hjælp af klassisk Hamilton-dynamik. Den resulterende dynamik viste på en pæn og klar måde egenskaberne ved prætermiske DTC'er:i lang tid, magnetiseringen af ​​systemet svinger med en periode, der er større end drevets.

"Det er overraskende, hvor ren denne metode er, " sagde Pizzi. "Fordi det giver os mulighed for at se på større systemer, det gør meget klart, hvad der foregår. I modsætning til når vi bruger kvantemetoder, vi behøver ikke kæmpe med dette system for at studere det. Vi håber, at denne forskning vil etablere klassisk Hamilton-dynamik som en passende tilgang til storskala-simuleringer af komplekse mange-kropssystemer og åbne nye veje i studiet af ikke-ligevægtsfænomener, hvoraf prætermiske DTC'er kun er et eksempel."

Pizzis medforfattere på de to aviser, som begge for nylig havde base i Cambridge, er Dr. Andreas Nunnenkamp, nu ved universitetet i Wien, og Dr. Johannes Knolle, nu ved det tekniske universitet i München.

I mellemtiden, på UC Berkeley, Norman Yaos gruppe har også brugt klassiske metoder til at studere prætermiske DTC'er. Bemærkelsesværdigt, Berkeley- og Cambridge-holdene har samtidig behandlet det samme spørgsmål. Yaos gruppe vil snart offentliggøre deres resultater.