Een nieuwe fase van materie, waarvan men dacht dat het alleen begrijpelijk was met behulp van kwantumfysica, kan worden bestudeerd met veel eenvoudiger klassieke methoden.

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge gebruikten computermodellering om potentiële nieuwe fasen van materie te bestuderen die bekend staan ​​als prethermische discrete tijdkristallen (DTC's). Men dacht dat de eigenschappen van prethermische DTC's afhankelijk waren van de kwantumfysica:de vreemde wetten die over deeltjes op subatomaire schaal heersen. Echter, vonden de onderzoekers dat een eenvoudigere aanpak, gebaseerd op de klassieke natuurkunde, kan worden gebruikt om deze mysterieuze verschijnselen te begrijpen.

Het begrijpen van deze nieuwe fasen van materie is een stap voorwaarts in de richting van de beheersing van complexe veellichamensystemen, een al lang bestaand doel met verschillende mogelijke toepassingen, zoals simulaties van complexe kwantumnetwerken. De resultaten worden gerapporteerd in twee gezamenlijke papers in Fysieke beoordelingsbrieven en Fysieke beoordeling B .

Als we iets nieuws ontdekken, of het een planeet is, een dier, of een ziekte, we kunnen er meer over leren door er steeds beter naar te kijken. Eenvoudiger theorieën worden eerst uitgeprobeerd, en als ze niet werken, meer gecompliceerde theorieën of methoden worden geprobeerd.

"Dit was wat we dachten dat het geval was met prethermische DTC's, " zei Andrea Pizza, een doctoraat kandidaat in het Cavendish-laboratorium van Cambridge, eerste auteur van beide artikelen. "We dachten dat het in wezen kwantumverschijnselen waren, maar het blijkt dat een eenvoudigere klassieke benadering ons meer over hen laat leren."

DTC's zijn zeer complexe fysieke systemen, en er is nog veel te leren over hun ongewone eigenschappen. Zoals hoe een standaard ruimtekristal de ruimte-translationele symmetrie verbreekt omdat de structuur niet overal in de ruimte hetzelfde is, DTC's breken een duidelijke tijd-translationele symmetrie omdat, wanneer periodiek 'geschud', hun structuur verandert bij elke 'push'.

"Je kunt het zien als een ouder die een kind op een schommel op een speelplaats duwt, "zei Pizzi. "Normaal gesproken, de ouder duwt het kind, het kind zal terugzwaaien, en de ouder duwt ze dan weer. in de natuurkunde, dit is een vrij eenvoudig systeem. Maar als er meerdere schommels op dezelfde speelplaats waren, en als kinderen erop elkaars hand vasthielden, dan zou het systeem veel complexer worden, en er zou veel interessanter en minder voor de hand liggend gedrag kunnen ontstaan. Een prethermische DTC is zo'n gedrag, waarin de atomen, werken als schommels, alleen 'kom terug' elke tweede of derde druk, bijvoorbeeld."

Voor het eerst voorspeld in 2012, DTC's hebben een nieuw onderzoeksgebied geopend, en zijn in verschillende soorten bestudeerd, ook in experimenten. Tussen deze, prethermische DTC's zijn relatief eenvoudig te realiseren systemen die niet snel opwarmen zoals normaal zou worden verwacht, maar vertonen in plaats daarvan heel lang tijdkristallijn gedrag:hoe sneller ze worden geschud, hoe langer ze overleven. Echter, men dacht dat ze afhankelijk waren van kwantumverschijnselen.

"Het ontwikkelen van kwantumtheorieën is ingewikkeld, en zelfs als het je lukt, uw simulatiemogelijkheden zijn meestal zeer beperkt, omdat de benodigde rekenkracht ongelooflijk groot is, ' zei Pizzi.

Nutsvoorzieningen, Pizzi en zijn co-auteurs hebben ontdekt dat ze voor prethermische DTC's het gebruik van al te gecompliceerde kwantumbenaderingen kunnen vermijden en in plaats daarvan veel meer betaalbare klassieke kunnen gebruiken. Op deze manier, de onderzoekers kunnen deze verschijnselen veel uitgebreider simuleren. Bijvoorbeeld, ze kunnen nu veel meer elementaire bestanddelen simuleren, toegang krijgen tot de scenario's die het meest relevant zijn voor experimenten, zoals in twee en drie dimensies.

Met behulp van een computersimulatie, de onderzoekers bestudeerden veel op elkaar inwerkende spins - zoals de kinderen op de schommels - onder de werking van een periodiek magnetisch veld - zoals de ouder die de schommel duwt - met behulp van klassieke Hamiltoniaanse dynamiek. De resulterende dynamiek toonde op een nette en duidelijke manier de eigenschappen van prethermische DTC's:lange tijd, de magnetisatie van het systeem oscilleert met een periode die groter is dan die van de aandrijving.

"Het is verrassend hoe schoon deze methode is, " zei Pizzi. "Omdat het ons in staat stelt om naar grotere systemen te kijken, het maakt heel duidelijk wat er aan de hand is. In tegenstelling tot wanneer we kwantummethoden gebruiken, we hoeven niet met dit systeem te vechten om het te bestuderen. We hopen dat dit onderzoek de klassieke Hamiltoniaanse dynamiek zal bewijzen als een geschikte benadering voor grootschalige simulaties van complexe veellichamensystemen en nieuwe wegen zal openen in de studie van niet-evenwichtsverschijnselen, waarvan prethermische DTC's slechts een voorbeeld zijn."

Pizzi's co-auteurs van de twee artikelen, die beiden onlangs in Cambridge waren gevestigd, zijn Dr. Andreas Nunnenkamp, nu aan de Universiteit van Wenen, en dr. Johannes Knolle, nu aan de Technische Universiteit van München.

In de tussentijd, bij UC Berkeley, De groep van Norman Yao heeft ook klassieke methoden gebruikt om prethermische DTC's te bestuderen. Opmerkelijk, de teams van Berkeley en Cambridge hebben tegelijkertijd dezelfde vraag behandeld. Yao's groep zal binnenkort hun resultaten publiceren.