Вчені створюють просторово-часової кристал з обертового кільця іонів
У минулому році вчені-фізики займалися розробкою ідеї про можливість створення так званих просторово тимчасових кристалів, структур, здатних рухатися навіть після "теплової смерті" Всесвіту. Ідею створення таких кристалів висунув у лютому 2012 року Франк Вилкзек (Frank Wilczek), який припустив, що при певних умовах можна змусити якусь фізичну повторювану структуру переміщатися нескінченно довго, не витрачаючи при цьому жодної енергії. У червні минулого року група дослідників з Берклі запропонувала реалізувати ідею Франка Вилкзека у вигляді постійно обертового кільця, що складається з заряджених атомів, іонів.
На проблему, що ховається в такому підході, вказав фізик Патрік Бруно (Patrick Bruno), який в березні цього року опублікував в журналі Physical Review Letters, статтю, повністю присвячену цьому. Він зазначив, що для того, щоб стати дійсним просторово-тимчасовим кристалом, об'єкт повинен рухатися, перебуваючи в найнижчому з можливих енергетичних станів, стандартне стан. В системах, описаних Франком Вилкзеком і вченими з Берклі, система знаходиться в збудженому енергетичному стані, що при деяких умовах може втратити частину своєї енергії і тому не може вважатися просторово-тимчасовим кристалом.
У відповідь на зроблене Патріком Бруно зауваження дослідники з Берклі знайшли спосіб подолання зазначеної проблеми. Використовуючи свої останні досягнення в області створення низкошумящих іонних пасток, вони збираються створити нову іонну пастку, в якій можна буде отримати дійсний просторово-часової кристал, характеристики якої задовольняють всім вимогам.
У самому найближчому часі команда з Берклі, очолювана Сяном Зангом (Xiang Zhang) і Хартмутом Хэффнером (Hartmut Haffner), спробує створити просторово-часової кристал, вводячи 100 іонів кальцію в іонну пастку, шириною 100 мікронів. Іони кальцію будуть утримуватися в пастці електричними полями і сформують невидиме кільце, яке почне обертатися під впливом статичного магнітного поля. Згідно з попередніми розрахунками, це кільце іонів має перейти в стандартне енергетичний стан після примусового охолодження атомів променями лазерного світла до температури близько мільйонної частки градуса вище абсолютного нуля.
В даний час існує кілька різновидів технології лазерного охолодження, але всі вони працюють за рахунок одного основного принципу. Фотони лазерного світла певної довжини хвилі потрапляють в атом і поглинаються ним. Отримана атомом енергія змушує атом излучить новий фотон світла, довжина хвилі якого відрізняється від довжини хвилі поглинутого фотона, а енергія випроміненого фотона вище, ніж енергія поглиненого фотона. Зайва енергія, яка потрібна для роботи цього процесу, береться з енергії кінетичного руху атома, його теплової енергії. Таким чином, за кілька таких циклів перевипромінювання фотонів атом практично перестає рухатися, охолодити до наднизької температури.
Але раніше сверхнизкотемпературному охолодження атомів, спійманих в іонну пастку, заважало тепло, випромінюване електродами, що створюють електричні поля пастки. Провівши дослідження, вчені з'ясували, що джерелом цього тепла були атоми деяких домішок в матеріалі електродів. Позбутися від цього допомогла іонне очищення електродів з допомогою пучка іонів аргону, який є однією із складових частин пастки. Проведені пізніше експерименти показали, що така очищення дозволила зменшити у 100 разів теплові шуми, вироблені коливаннями електричного поля в пастці.
План експерименту по створенню просторово-тимчасового кристала полягає в якісному сверхнизкотемпературном охолодженні області пастки. По досягненню заданої температури буде включено магнітне поле, яке змусить іони кальцію рівномірно рухатися по колу навколо однієї точки, створюючи, таким чином, структуру просторово-часового кристала. Щоб проконтролювати обертання іонів один із сотні іонів час від часу буде переводитися у більш високий енергетичний стан, в якому можна відстежити його рух. І якщо спостереження підтвердять рівномірне обертання всіх іонів, вчених в руках виявиться чотиривимірний кристал, одним з вимірів якого буде час.
Реалізація нових експериментів вченими Берклі може зажадати значного часу. Але деякі вчені-фізики, включаючи і Патріка Бруно, не впевнені в успіху цих експериментів, їх основним аргументом є те, що не існує методів визначення руху об'єктів, що знаходяться на найнижчому (стандартному) енергетичному стані. Іншими словами, навіть якщо стане можливим створення обертового в іонній пастці кільця атомів, то спостерігати за цим рухом, не порушуючи будь-який з принципів термодинаміки, не надається можливим.
Але, в разі успішного створення просторово-тимчасового кристала, людство може отримати в своє розпорядження унікальний квантовий інструмент, на основі якого можна буде створити годинник настільки точні, порівняно з якими сучасні атомні годинники будуть виглядати дитячим будильником. Крім цього, просторово-часові кристали, напевно, знайдуть застосування в якості обчислювальних елементів майбутніх квантових комп'ютерів та інших подібних пристроїв. Так що в будь-якому випадку гра варта свічок.