物理学者はタイムクリスタルの存在を確認します、しかし...それは一体何ですか?

2020-12-12 21:26.
ハーバードチームのタイムクリスタル。画像:崔スンウォン

ハーバードの研究者への私の最初の質問は、「タイムクリスタルとは何ですか?」でした。大学院生の崔スンウォン、崔ジュンヒ、博士後期研究者のレナーテ・ランディグが笑い出した。「それは非常に良い質問だ」とスンウォンは言った。

サイエンスフィクションのように聞こえますが、タイムクリスタルの名前には深い量子機械的ニュアンスがあります。名前は、好奇心が強い人が思いつくよりもはるかに複雑なものを説明するための最も簡単な近似である場合があります。

科学者の2つのグループは、固体が空間で結晶化できるので、その特性が時間内に組織化または「結晶化」される原子のエキゾチックなシステムである結晶を初めて観察することに成功したと報告しています。2つの原子配列は、永続的なモーションマシン、武器、またはタイムトラベルデバイスではありませんが、それらの奇妙な動作は、遭遇した固体、液体、またはガスとは異なる特性を持つ新しいクラスの材料に光を当てます。

「実験は美しく、それ自体が質的に新しい魅力的なされている物質の状態の新しいクラスを開く、」フランク・ウィルチェック、MITの理論物理学者とノーベル賞受賞者は、に説明ギズモード。Wilczek、空間ではなく時間とともに変化する特定の特性が問題の新しい段階を引き起こす可能性があるかどうか疑問に思ったとき、2012年にタイムクリスタルの存在を提案しました。Wilczekは、「新しい発見は確かに彼の当初のビジョンの認識可能な子孫であり、名前を保持している」と述べています。

物理的な法則には対称性があります。つまり、アクションが異なる環境で同じ反応を生成する場合です。同じ力で固い壁にぶつかると、壁のどの部分にぶつかっても、時間帯に関係なく、同じように傷つきます。これらは空間的および時間的な対称性です。一部の対称性は壊れている可能性があります。結晶、つまり粒子が配置されて3次元ネットワークを形成する固体は、分子が空間内の特定の場所を好むため、いわゆる並進空間対称性を破ります。固い壁ではなくフェンスにぶつかると、ボード間のスペースにぶつかるのとは異なるため、空間的な並進対称性が崩れる可能性があります。

Wilczekの考えは単純でした:分子は時間の並進対称性を壊すことができますか?特定の固体は時間内に結晶化し、異なる時間間隔で異なる状態を優先することができますか?その質問は次のようになりました:原子のコレクションの特定の周期的な振る舞いは好ましいテンポを持っていますか?これは、17年ごとに戻ってくる蝉のようなもので、毎年戻ってくる可能性がありますが、均一に表示されるのではなく、17年目に凝集するため、時間変換の対称性が崩れます。

画像:T。Liet al。、Phys。Rev.Lett。(2012)

東京大学の物理学者渡辺晴樹と押川正樹は、2014年に、少なくともウィルチェクが定義した方法では、時間の結晶はおそらくないことに気づきました。2年後、プリンストンのShivajiSondhiやカリフォルニア大学サンタバーバラ校のChetanNayakのような物理学者は、ルールを少し変更すれば時間の結晶が存在する可能性があることを示しました。カリフォルニア大学バークレー校の物理学者ノーマン・ヤオは、タイムクリスタルを作成する正当な理由として何を測定するかを決定するための一種の計画を作成しました。発見は数週間前に公表されましたが、現在、発見はピアレビュープロセスを通じて精査されています。

「タイムクリスタルの驚くべき点は、それが安定していることです」と八尾はギズモドに語った。タイムクリスタルは、周期的な推力の周波数とは異なる特定の振動周波数を好む必要があります。一部のパルスでは、好ましい振動周波数は変化しません。

それが、各グループが今日ジャーナルNatureで報告していることです。粒子には、磁気に関連する「スピン」と呼ばれる固有の量子機械的特性があり、これらの結晶の場合、2つの異なる値があります。すべての値が整列し、クリスタルの好ましい瞬間に状態が変化します。スピンを完全に理解することは、タイムクリスタルを理解することほど重要ではありません。非常に基本的なレベルでは、各粒子を看板を持ったスポーツイベントの観客と考えてください。全員がサイドAの看板を持っている場合、集合的な看板は1つのフレーズを言い、全員がサイドBの看板を持っている場合、彼らは別のフレーズを言います。そうでなければ、それは紛らわしい混乱です。

メリーランド大学のグループが、トラップされた10個のイッテルビウムイオン(イッテルビウムは化学元素)を並べ、周期的なレーザーパルスを発射して、イオンのスピンの一部を変更しましたが、完全ではありませんでした。それは問題ではありませんでした:粒子のスピン値は完全に変化しました。それらは、レーザーパルスの半分の速度でシフトおよび整列し続けました。チームがパルスを少し変更した場合、10個のイオンは同じサイクルを維持しましたが、直感では、タイムクリスタルの周期的な動きは崩れるはずです。代わりに、彼らは自分のビートのビートに向かって行進することを好みました。

ハーバードグループの設定は少し異なっていました。彼らはダイヤモンドの炭素格子に窒素原子の形の不純物を負荷しました。ダイヤモンドが黒くなるほど多くの不純物。彼らの結晶はまた、脈動力、この場合はマイクロ波場を必要とし、不純物のスピンが何度も何度も変化し、彼ら自身のより低い周波数とより長い周期に一致するのを観察しました。これにより、下の画像のようにダイヤモンドが輝きました。彼らのシステムは非常に複雑だったので、理論は彼らの行動を完全には説明していない、とSoonwonChoiは言った。

画像:崔スンウォン

「どちらのシステムも本当に素晴らしいです。それらは非常に異なっています」とYaoは言いました。「それらは非常に補完的だと思います。私は一方が他方より優れているとは思いません。彼らは物理学の2つの異なる体制を見ています。非常に異なるシステムでこの類似した現象を見ることができるということは、本当に信じられないことです。」

クリスタルはスピンを変えるために独自のテンポを好むかもしれませんが、その効果は確かに永遠に続くわけではありません。タイムクリスタルは、原子が時間内に組織化するように説得するエネルギーの反復パルスなしには存在できません。「それは永久的なモーションマシンではありません」とメリーランド大学のJiehangZhangはGizmodoに語った。「私たちはそれを運転します!」

それでも少し混乱している場合は、八尾が素晴らしい説明をします。ロープをスキップしている場合、ロープを持っている人の手が回転するたびに回転することを期待します。これらのタイムクリスタルは、手の2回転ごとに、弦が完全な円を描くか、スピンが周期を変えることを知っています。

Nayakは、両方のグループが彼と他の人が理論化した結晶の証拠を提示したことに同意しましたが、これらの結晶がどれほど安定しているかを知る必要があります。「それらを組み合わせた結果は、振動が長期間同相にとどまるということを真に実証する実験の必要性を示しています。そして、避けられない変動によって排除されない」と彼Nature News&Viewsの記事に書いています。

タイムクリスタルとは何かがわかったので、「それについて何がそんなにエキサイティングなのか」と考えているかもしれません。(「先日、ゲームでタイムクリスタルを武器として見た」とランディグは言った)。Soonwonはすぐに、遠い将来の量子コンピューティングの潜在的なアプリケーションを提起し、同時に多くの量子ビットを制御しました。しかし、その重要性はもっと根本的なものです。通常、物質の状態は、粒子が空間で編成される方法を変更することによってのみ存在します。タイムクリスタルは、これらのレーザーまたはマイクロ波パルスを追加することにより、可能性のある新しい物質の状態の全世界を開きます。コーンスターチを水と混合したときの量子物理学バージョンのように、固体に対して何かが行われているときにのみ存在する状態は、粉砕したときにのみ固体に感じられます。

「それは、物質の状態の豊かさが(私たちが思っていたよりも)さらに広いことを示している」と八尾氏は語った。「物理学の聖なる目標の1つは、自然界にどのような種類の物質が存在する可能性があるかを理解することです。」超伝導体や超流体のような奇妙な材料がたくさんありますが、時系列のような「非平衡相」は「過去に研究したすべてのものとは異なる道を示しています」。

[自然自然]

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