Физики открыли квантовое бессмертие с помощью революционного кристалла времени

Ученые совершили крупный прорыв в области квантовой физики, создав кристалл времени, срок жизни которого в миллионы раз превышает достигнутый ранее. Это открытие подтверждает теоретическое предсказание кристаллов времени, сделанное нобелевским лауреатом Франком Вильчеком в 2012 году, демонстрирующих периодическое поведение в системе без периодического внешнего воздействия.

Исследователям удалось продлить срок службы кристаллов времени, подтвердив теоретическую концепцию, предложенную Франком Вильчеком. Это представляет собой важный шаг вперед в квантовой физике.

Команде из Технического университета Дортмунда недавно удалось создать чрезвычайно прочный кристалл времени, который живет в миллионы раз дольше, чем можно было показать в предыдущих экспериментах. Тем самым они подтвердили очень интересное явление, постулированное нобелевским лауреатом Франком Вильчеком около десяти лет назад и уже нашедшее отражение в научно-фантастических фильмах. Результаты теперь опубликованы в Физика природы.

Новаторское достижение в исследовании кристаллов времени

Кристаллы, или, точнее, кристаллы в космосе, представляют собой периодическое расположение атомов на больших масштабах длины. Такое расположение придает кристаллам изысканный вид с гладкими гранями, как у драгоценных камней.

Поскольку физика часто рассматривает пространство и время на одном уровне, например, в специальной теории относительности, Фрэнк Вильчек, физик Массачусетского технологического института (MIT) и лауреат Нобелевской премии по физике, в 2012 году предположил, что, кроме того, для кристаллов в космосе , во времени тоже должны быть кристаллы. Для этого, по его словам, одно из ее физических свойств должно начать самопроизвольно периодически меняться с течением времени, даже если система не испытывает подобных периодических помех.

Что напоминает пламя, так это измерение нового кристалла времени: каждая точка соответствует экспериментальному значению, что приводит к различным взглядам на периодическую динамику поляризации ядерного спина кристалла времени. Источник изображения: Алекс Грилиш/ТУ Дортмунд

Понимание кристаллов времени

Возможность существования таких кристаллов времени уже несколько лет является предметом спорных научных дискуссий — но быстро дошла до кинотеатров: например, кристалл времени сыграл центральную роль в фильме студии Marvel «Мстители: Финал» (2019). Начиная с 2017 года, ученым уже несколько раз удавалось продемонстрировать возможный кристалл времени.

Доктор Алекс Грилиш работает в Центре исследований конденсированного состояния физического факультета Дортмундского технического университета. Предоставлено: Технический университет Дортмунда.

Однако эти системы — вопреки первоначальной идее Вильчека — подвергались временному возбуждению с определенной периодичностью, но затем реагировали с другим периодом, вдвое более продолжительным. Кристалл, который ведет себя периодически со временем, хотя возбуждение не зависит от времени, то есть постоянно, был продемонстрирован только в 2022 году в конденсаторе Бозе-Эйнштейна. Однако кристалл прожил всего несколько миллисекунд.

Скачок во времени, кристальное долголетие

Физики из Дортмунда под руководством доктора Алекса Грелиха разработали специальный кристалл из арсенида индия-галлия, в котором ядерные спины действуют как резервуар для кристалла времени. Кристалл непрерывно освещается так, что поляризация ядерного спина формируется за счет взаимодействия со спином электрона. Именно эта поляризация ядерного спина спонтанно генерирует колебания, эквивалентные кристаллу времени.

Состояние экспериментов на данный момент таково, что продолжительность жизни кристалла составляет не менее 40 минут, что в 10 миллионов раз дольше, чем было доказано до сих пор, и, вероятно, проживет гораздо дольше.

Можно варьировать период кристаллизации в больших масштабах, систематически изменяя условия эксперимента. Однако возможно также перемещение в области, где кристалл «плавится», т. е. теряет периодичность. Эти регионы также интересны тем, что тогда возникает хаотическое поведение, которое может сохраняться в течение длительных периодов времени. Впервые учёным удалось использовать теоретические инструменты для анализа хаотического поведения таких систем.

Ссылка: «Сильный непрерывный кристалл времени в ядерной электронной спиновой системе» А. Грейлиха, Н. Е. Коптевы, А. Н. Каменского, П. С. Соколова, В. Л. Коренева и М. Байера, 24 января 2024 г., Физика природы.
дои: 10.1038/s41567-023-02351-6