Американські вчені винайшли годинник, який переживе Всесвіт

Уявіть собі годинник, які будуть показувати найточніше час навіть після теплової смерті Всесвіту. Це пристрій, т.зв. просторово-часової кристал або чотиривимірний кристал, який має періодичні структури, як у часі, так і в просторі, лише віднедавна обіцяє стати реальністю.


До цих пір просторово-часової кристал існував тільки як теоретичне поняття, без яких серйозних уявлень про те, як насправді його побудувати. І тепер міжнародна група вчених на чолі з дослідниками з Міністерства енергетики США (DOE) і Національної лабораторії Лоренса Берклі (Berkeley Lab) запропонувала експериментальний дизайн такого кристала. Ця модель базується на електромагнітної іонної пастці і кулоновском взаємодії частинок.

Міжнародна група вчених запропонувала експериментальний дизайн просторово-часового кристала

Електричне поле іонної пастки утримує частинки на місці, кулоновское ж відштовхування приводить їх до мимовільно утворюється в просторі кільцю кристала. Якщо піддати його дії слабкого магнітного поля, кристал починає обертання в просторі, яке ніколи не зупиниться.

Постійне обертання захоплених полем іонів вводить в систему тимчасової порядок - тобто вона починає повторюватися не тільки в просторі, але і через певні інтервали часу. При нижчих квантово-енергетичних станах це дозволяє сформувати просторово-часової кристал. Його тимчасової порядок руху - або хронометраж - буде зберігатися навіть тоді, коли весь Всесвіт досягне термодинамічної рівноваги, "теплової смерті".

Традиційні 3D кристали - це твердотільні структури з атомів або молекул, з'єднані разом у впорядкованому і повторюваному візерунку. Типові приклади - кристали льоду, солі та сніжинки. Кристалізація відбувається, коли від молекулярної системи відводиться тепло, і поки воно не досягне своєї нижньої енергетичного стану. У певний момент найменшої енергії, безперервна просторова симетрія ламається, і кристал набуває властивість дискретних симетрій. А це означає, що замість структури, однакової у всіх напрямках, виникає те ж саме тільки в декількох окремих напрямках.

"Великий прогрес був досягнутий за останні кілька десятиліть у вивченні захоплюючої фізики низькорозмірних кристалічних матеріалів, таких як двовимірний графен, одномірні нанотрубки, і нуль-мірні фулерени, - говорить Тонкан Лі, провідний автор статті PRL і науковий співробітник в дослідницькій групі д-ра Чжана . - Ідея створення кристала з розмірностями вище, ніж у звичайних 3D-кристалів, є важливим концептуальним проривом у фізиці. Нам було дуже цікаво першими розробити спосіб реалізації просторово-часового кристала ".

У той час як 3D кристал в нижчому квантово-енергетичному стані розбивається на дискретні симетрії, в чотиривимірному кристалі теж відбувається щось подібне. Там порушення симетрії очікується з тимчасової осі кристала. За схемою, розробленою Чжаном і Лі з їх колегами, просторове кільце захоплених іонів в постійному обертанні, періодично буде відтворювати себе в часі, утворюючи тимчасової аналог звичайних просторових кристалів.

Однак Тонкан Лі відзначає, що пропонований ними просторово-часової кристал не вічний двигун, тому що в нижчому квантовому стані немає виходу енергії зовні, яку можна було б використовувати. Тим не менш, є багато наукових досліджень, для яких просторово-часової кристал буде мати неоціненне значення. Якщо на основі подібного кристала створити годинниковий механізм, то він перевершить по точності кращі атомний годинник.

Існують цілком практичні і важливі наукові цілі для побудови просторово-часового кристала. З ним вчені матимуть нові і більш ефективні засоби для вивчення складних фізичних властивостей і поведінки великого числа окремих частинок, що виходять за рамки колективних взаємодій, так званої фізичної задачі багатьох тіл.

Просторово-часової кристал також може бути використаний для вивчення явищ у квантовому світі, таких як невизначеність, коли вплив на одну частинку впливає на іншу, навіть якщо дві частинки розділені величезними відстанями.

 


Останні новини