Обычные кристаллы — это материалы, в которых атомы располагаются в повторяющихся пространственных структурах. Временные кристаллы, с другой стороны, представляют собой фазы материи, характеризующиеся повторяющимися движениями во времени без постоянного нагревания, что нарушает физическое правило, известное как симметрия относительно трансляции во времени.

Исследователи из Восточно-Китайского педагогического университета и Шанхайского университета Цзяотун недавно предсказали образование нового типа временного кристалла, получившего название двумерного (2D) муарового временного кристалла. Предполагается, что этот кристалл возникает при воздействии периодических возмущений (то есть регулярных, повторяющихся воздействий) на ультрахолодные атомы, удерживаемые в гладкой, непрерывной ловушке, в отличие от оптической решетчатой ​​ловушки. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

«Нас вдохновили две захватывающие концепции в физике, — рассказал Phys.org Кей Чжан, профессор Восточно-Китайского педагогического университета и один из ведущих авторов статьи. — Первая — это концепция «твистроники», где скручивание тончайших атомов создает муаровые узоры с экзотическими свойствами материала. Вторая — это концепция «временных кристаллов» (новая фаза материи с устойчивым ритмическим движением). Мы задались вопросом: можем ли мы объединить эти идеи, рассматривая само время как измерение, которое можно «скручивать»?»

От пространственного муара к временному муару

Муаровые узоры — это уникальные структуры, возникающие при наложении двух похожих физических систем друг на друга с небольшим несоответствием. Чжан и его коллеги хотели теоретически продемонстрировать, что муаровые узоры могут возникать и во времени, без необходимости физического наложения каких-либо материалов, и разработать схему для экспериментального создания таких муаровых временных кристаллов с использованием захваченных ультрахолодных атомов.

«Представьте себе ультрахолодные атомы, заключенные в гладкий, бесструктурный ящик», — объяснил Чжан. «Мы «встряхиваем» этот ящик лазерными лучами или магнитными полями, которые мерцают на нескольких тщательно подобранных частотах. Эти частоты резонируют с естественным движением атомов, заставляя их спонтанно организовываться в идеальную двумерную муаровую решетку, но в абстрактном «фазовом пространстве», а не в реальном пространстве. Затем мы определили условия, при которых этот узор может быть отображен без искажений либо в физическом временном, либо в пространственном измерении».

Для дальнейшего изучения системы, о которой они теоретизировали, исследователи также провели моделирование с участием тысяч взаимодействующих атомов. Они показали, что атомы в смоделированных муаровых временных кристаллах образуют региональную сверхтекучесть — фазу материи, которая течет с нулевой вязкостью (т. е., внутренним трением) и в которой квантовая когерентность следует муаровому узору, созданному исследователями в пространстве, времени или в обоих направлениях.

«Наше исследование расширяет область применения твистроники от чисто пространственной физики до временного измерения», — сказал Чжан. «Мы продемонстрировали, что двумерные муаровые узоры могут возникать из самого «времени», создавая новую платформу — муаровый временной кристалл, который обеспечивает исключительную возможность настройки. Просто регулируя последовательности лазерных импульсов, мы можем динамически проектировать свойства квантовых материалов без изменения какого-либо оборудования».

«Помимо устранения ограничения, связанного со сложной физической укладкой при изготовлении муаровых материалов, это означает, что мы можем не только использовать «поток» времени для моделирования физических явлений, обычно требующих пространственных измерений, но и стимулировать исследование новых квантовых многочастичных задач в гибридных пространственно-временных измерениях».

На пути к экспериментальной реализации муаровых временных кристаллов

Представленные авторами двумерные муаровые временные кристаллы вскоре могут вдохновить на дальнейшие исследования в этой области или проложить путь к экспериментальной реализации таких кристаллов. Чжан и его коллеги в настоящее время сотрудничают с физиками-экспериментаторами с целью реализации предсказанных ими систем в лаборатории с использованием холодных атомов.

В будущем их усилия могут способствовать разработке новых материалов, демонстрирующих программируемые квантовые фазы, и могут быть использованы для создания новых квантовых технологий. Тем временем они теоретически изучают возможность появления других экзотических квантовых фаз в этом типе временных кристаллов.

«В скором времени мы также планируем исследовать более экзотические квантовые состояния внутри этих временных кристаллов, такие как топологические и фазы сильной корреляции», — добавил Чжан. «Эта концепция также естественным образом распространяется на три измерения, потенциально приводя к созданию идеальных «пространственно-временных кристаллов» — систем с идеальным периодическим порядком во всех пространственных измерениях и времени. Мы с нетерпением ждем, к чему приведет этот новый подход к проектированию квантовой материи».