De zoektocht om het begrip voor tijdkristallijn gedrag in kwantumsystemen te ontwikkelen, heeft een nieuwe, spannende wending.

Natuurkundigen van de universiteiten van Exeter, IJsland, en ITMO University in St. Petersburg, hebben onthuld dat het bestaan ​​van echte tijdkristallen voor gesloten kwantumsystemen mogelijk is.

In tegenstelling tot andere studies die tot op heden niet-evenwichts open kwantumsystemen beschouwden, waar de aanwezigheid van een aandrijving tijd-periodieke oscillaties induceert, onderzoekers hebben theoretisch een kwantumsysteem gevonden waarin tijdcorrelaties oneindig lang overleven.

Gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven als suggestie van de redactie op 20 november, de studie zou de weg kunnen effenen voor de ontwikkeling van nieuwe, spannende toepassingen, zoals een nieuw soort atoomklok.

Het idee van een tijdkristal (TC) werd voor het eerst naar voren gebracht door de gewaardeerde natuurkunde Nobelprijswinnaar Frank Wilczek in 2012. De centrale rol bij het vaststellen van het tijdkristal als een nieuwe fase van materie komt overeen met het doorbreken van de translatiesymmetrie in de tijd.

In het dagelijks leven zijn we omringd door vaste stoffen, waar atomen en moleculen een periodieke structuur vormen langs de ruimtelijke coördinaten. In tegenstelling tot gewone kristallen - zoals diamanten - waarvan de eigenschappen worden bepaald door atomen die regelmatig in de ruimte zijn gerangschikt, tijdkristallen tonen in plaats daarvan een steeds veranderende gedragsmodus die zich in de tijd herhaalt.

Echter, de mogelijkheid om tijd-translationele symmetrie te verbreken bleek notoir moeilijk in een perfect geïsoleerd kwantumsysteem dat in evenwicht blijft. Opmerkelijk, de stelling bewezen door Haruki Watanabe en Masaki Oshikawa stelde dat kwantumversies van tijdkristallen onmogelijk zijn, tenzij:1) zeer niet-lokale interacties aanwezig zijn in een echt kwantumsysteem; of 2) een aangedreven systeem wordt overwogen.

Vooral, met behulp van de tweede maas in de wet, wetenschappers hebben de afgelopen jaren aangetoond dat het mogelijk is om verschillende tijdkristalvarianten (met name discrete of Floquet-tijdkristallen) te produceren.

De vraag:"Kan het oorspronkelijke concept van tijdkristal gerealiseerd worden?" bleef dus in de lucht.

In de nieuwe studie het onderzoeksteam onder leiding van Oleksandr Kyriienko van de Universiteit van Exeter heeft aangetoond dat het mogelijk is om de no-go-stelling voor het bestaan ​​van kwantumtijdkristallen te omzeilen, en dat een echte tijdskristallijne orde inderdaad mogelijk is.

Het belangrijkste ingrediënt komt overeen met het vinden van de Hamiltoniaan - een operator die de energie van een kwantumsysteem beschrijft - die volledig voldoet aan de voorwaarden voor TC-gedrag van Watanabe en Oshikawa.

Het team heeft ontdekt dat het systeem dat de tijd-translationele symmetrie verbreekt noodzakelijkerwijs multideeltjesinteracties (zogenaamde "strings") bezit waarbij ten minste de helft van de deeltjes gelijktijdig interageert.

De bijbehorende grondtoestandcorrelatiefunctie vertoont eeuwigdurende oscillaties als gevolg van koppeling tussen twee maximaal verstrengelde toestanden die overeenkomen met Schrödinger-katachtige toestanden.

De bevindingen kunnen helpen bij het begrip van wetenschappers over hoe gecondenseerde toestanden van materie zich gedragen, en het licht werpen op de fysica van dynamische orden.

Als eerste stap naar het doorbreken van de continue tijd-translationele symmetrie, de studie vestigt de aandacht op andere mogelijke kwantumsystemen waar interacties op lange afstand een niet-triviale dynamiek kunnen veroorzaken.

Oleksandr Kyriienko zei:"Nu weten we dat translatiesymmetrie in de tijd kan worden verbroken met zeer niet-lokale interacties. Kunnen we dat verbeteren en praktisch bruikbare systemen hebben met verminderde interacties waar correlaties op oneindige tijden overleven? Ik weet het niet zeker, maar ben benieuwd."