کریستال‌های زمانی: رویکرد «بازگشت به اصول پایه» به کشف فاز جدید ماده کمک می‌کند

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۲ اکتبر ۲۰۲۱
لینک منبع Time Crystals: “Back to Basics” Approach Helps Unravel New Phase of Matter

محققان دانشگاه کمبریج از مدل‌‌سازی رایانه‌ای برای مطالعه مراحل جدید بالقوه ماده که به کریستال‌های زمان گسسته پیش‌گرمایی (DTCها) معروف هستند، استفاده کردند. تصور بر این بود که خواص DTCها پیش-حرارتی به فیزیک کوانتوم بستگی دارد: قوانین عجیب حاکم بر ذرات در مقیاس زیر اتمی. با این حال، محققان دریافتند که یک روش ساده‌تر، براساس فیزیک کلاسیک، می‌تواند برای درک این پدیده‌های مرموز مورد استفاده قرار گیرد.

درک این مراحل جدید ماده، گامی به جلو در جهت کنترل سیستم‌های چندپیکره پیچیده است، یک هدف دیرینه با کاربردهای بالقوه مختلف، مانند شبیه‌سازی شبکه‌های کوانتومی پیچیده. نتایج در دو مقاله مشترک در Physical Review Letters و Physical Review B گزارش شده است.

وقتی ما چیز جدیدی کشف می‌کنیم، چه سیاره باشد، چه حیوان و چه بیماری، می‌توانیم با نگاه دقیق‌تر و دقیق‌تر به آن بیشتر در مورد آن یاد بگیریم. اول از همه، تئوری‌های ساده‌تر امتحان می‌شوند، و اگر جواب ندهند، نظریه‌ها یا روش‌های پیچیده‌تری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

آندره پیتزی، نامزد دکتری در آزمایشگاه کاوندیش کمبریج، نویسنده اول در هر دو مقاله، گفت: "این چیزی بود که ما فکر می‌کردیم در مورد DTCهای پیش‌گرمایی است." « ما فکر می‌کردیم که آن‌ها اساسا پدیده کوانتومی هستند، اما به نظر می‌رسد که رویکرد کلاسیک ساده‌تری به ما اجازه می‌دهد که بیشتر در مورد آن‌ها یاد بگیریم.»

در اصل DTCs سیستم‌های فیزیکی بسیار پیچیده‌ای هستند و هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری در مورد خواص غیر معمول آن‌ها وجود دارد. مانند این که چگونه یک کریستال فضایی استاندارد، تقارن فضایی-انتقالی را می‌شکند، زیرا ساختار آن در همه جا در فضا یک‌سان نیست، DTCها یک تقارن زمانی-انتقالی مجزا را می‌شکنند، زیرا وقتی «به صورت دوره‌ای تکان می‌خورند»، ساختار آن‌ها در هر «فشار» تغییر می‌کند.

پیزی گفت: «شما می‌توانید آن را مانند پدر و مادری تصور کنید که یک کودک را روی تاب در زمین‌بازی هل می‌دهند.» به طور معمول، پدر و مادر کودک را هل می‌دهند، کودک به عقب برمی گردد و سپس پدر و مادر دوباره او را هل می‌دهند. در فیزیک، این یک سیستم نسبتا ساده است. اما اگر چند تاب در همان زمین‌بازی وجود داشته باشد، و اگر کودکان روی آن‌ها دست یکدیگر را گرفته باشند، سیستم بسیار پیچیده‌تر خواهد شد، و رفتارهای بسیار جالب‌تر و کم‌تر واضحی پدیدار خواهد شد. یک DTC پیش گرمایش یکی از این رفتارها است، که در آن اتم‌ها به مانند گونه‌ای تاب عمل می‌کنند، که فقط در هر بار دوم یا سوم به عقب بر می‌گردند.

نخستین پیش‌بینی در سال ۲۰۱۲، DTCها زمینه تحقیقاتی جدیدی را باز نموده و در انواع مختلفی از جمله در آزمایش‌ها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. در میان این موارد، DTCهای پیش گرمایی سیستم‌هایی هستند که به سادگی قابل درک هستند و به سرعت معمول گرم نمی‌شوند، اما در عوض برای مدت طولانی رفتار کریستالی از خود نشان می‌دهند: هرچه سریع‌تر تکان داده شوند، بیشتر زنده می‌مانند. با این حال، تصور می‌شد که آن‌ها بر پدیده‌های کوانتومی تکیه می‌کنند.

پیزی گفت: « توسعه نظریه‌های کوانتومی پیچیده است، و حتی زمانی که آن را مدیریت می‌کنید، قابلیت‌های شبیه‌سازی شما معمولا بسیار محدود هستند، زیرا توان محاسباتی مورد نیاز فوق‌العاده بزرگ است.»

اکنون، پیزی و همکارانش دریافته‌اند که برای DTCهای پیش-حرارتی، آن‌ها می‌توانند از استفاده از روش‌های کوانتومی بیش از حد پیچیده اجتناب نموده و به جای آن از روش‌های کلاسیک بسیار مقرون‌به‌صرفه‌تر استفاده نمایند. به این ترتیب، محققان می‌توانند این پدیده‌ها را به شیوهای بسیار جامع‌تر شبیه‌سازی کنند. برای مثال، آن‌ها اکنون می‌توانند بسیاری از مولفه‌های ابتدایی را شبیه‌سازی کنند، دسترسی به سناریوهایی که بیش‌ترین ارتباط را با آزمایش‌ها دارند، مانند در دو و سه بعد.

با استفاده از شبیه‌سازی رایانه‌ای، محققان بسیاری از چرخش‌‌های متقابل - مانند بچه هایی که در نوسان هستند - را تحت تأثیر میدان مغناطیسی دوره ای - مانند والدین که نوسان را فشار می دهد - با استفاده از پویایی کلاسیک همیلتونی مطالعه کردند. دینامیک حاصل به شیوه‌ای تمیز و واضح خواص DTCs پیش-حرارتی را نشان می‌دهد: برای مدتی طولانی، مغناطیس سازی سیستم با یک دوره بزرگ‌تر از محرک نوسان می‌کند.

پیزی گفت: « عجیب است که این روش چقدر تمیز است.» چون به ما اجازه می‌دهد تا به سیستم‌های بزرگ‌تر نگاه کنیم، بسیار روشن می‌کند که چه اتفاقی در حال رخ دادن است. برخلاف زمانی که از روش‌های کوانتومی استفاده می‌کنیم، لازم نیست با این سیستم برای مطالعه آن مبارزه کنیم. ما امیدواریم که این تحقیق، دینامیک هامیلتونین کلاسیک را به عنوان یک روش مناسب برای شبیه‌سازی‌های مقیاس بزرگ سیستم‌های پیچیده چندجسمی ایجاد کند و راه‌های جدیدی را در مطالعه پدیده‌های غیرتعادلی که DTCهای پیش-حرارتی که تنها یک نمونه از آن‌ها است، باز کند.

نویسندگان مشترک پیتزی در این دو مقاله، که هر دو اخیراً در کمبریج مستقر بودند، عبارتند از: دکتر آندریاس نوننکامپ، اکنون در دانشگاه وین در اتریش، و دکتر یوهانس نووله، اکنون در دانشگاه فنی مونیخ در آلمان.

در همین حال، در دانشگاه برکلی در ایالات‌متحده، گروه نورمن یائو نیز از روش‌های کلاسیک برای مطالعه DTCهای پیش-حرارتی استفاده کرده‌اند. قابل‌توجه است که تیم‌های برکلی و کمبریج به طور همزمان همین سوال را مطرح کرده‌اند. گروه یائو به زودی نتایج خود را منتشر خواهند کرد.

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقالات فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.