En ny fas av materia, tros vara förståeligt endast med hjälp av kvantfysik, kan studeras med mycket enklare klassiska metoder.

Forskare från University of Cambridge använde datormodellering för att studera potentiella nya faser av materia som kallas pretermiska diskreta tidskristaller (DTC). Man trodde att egenskaperna hos pretermiska DTC:er var beroende av kvantfysik:de märkliga lagarna som styrde partiklar i subatomär skala. Dock, forskarna fann att ett enklare tillvägagångssätt, baserad på klassisk fysik, kan användas för att förstå dessa mystiska fenomen.

Att förstå dessa nya faser av materia är ett steg framåt mot kontrollen av komplexa många kroppssystem, ett långvarigt mål med olika potentiella tillämpningar, såsom simuleringar av komplexa kvantnätverk. Resultaten redovisas i två gemensamma papper i Fysiska granskningsbrev och Fysisk granskning B .

När vi upptäcker något nytt, oavsett om det är en planet, ett djur, eller en sjukdom, vi kan lära oss mer om det genom att titta på det mer och närmare. Enklare teorier prövas först, och om de inte fungerar, mer komplicerade teorier eller metoder prövas.

"Det här var vad vi trodde var fallet med pretermiska DTC, sa Andrea Pizzi, en doktorsexamen kandidat i Cambridges Cavendish Laboratory, första författare på båda tidningarna. "Vi trodde att de i grunden var kvantfenomen, men det visar sig att ett enklare klassiskt tillvägagångssätt låter oss lära oss mer om dem."

DTC:er är mycket komplexa fysiska system, och det finns fortfarande mycket att lära om deras ovanliga egenskaper. Som hur en vanlig rymdkristall bryter rymdtranslationssymmetri eftersom dess struktur inte är densamma överallt i rymden, DTC:er bryter en distinkt tidstranslationssymmetri eftersom, när "skakas" med jämna mellanrum, deras struktur ändras vid varje "push".

"Du kan tänka på det som att en förälder knuffar ett barn på en gunga på en lekplats, sade Pizzi. Normalt, föräldern knuffar barnet, barnet kommer att svänga tillbaka, och föräldern trycker på dem igen. Inom fysiken, detta är ett ganska enkelt system. Men om flera gungor fanns på samma lekplats, och om barn på dem höll hand med varandra, då skulle systemet bli mycket mer komplext, och mycket mer intressanta och mindre uppenbara beteenden skulle kunna dyka upp. En pretermisk DTC är ett sådant beteende, där atomerna, agerar som gungor, bara "kom tillbaka" vart andra eller tredje tryck, till exempel."

Förutspåddes först 2012, DTC har öppnat ett nytt forskningsfält, och har studerats i olika typer, inklusive i experiment. Bland dessa, pretermiska DTC:er är relativt enkla att realisera system som inte värms upp snabbt som normalt förväntas, men istället uppvisar tidskristallint beteende under mycket lång tid:ju snabbare de skakas, ju längre de överlever. Dock, man trodde att de förlitar sig på kvantfenomen.

"Att utveckla kvantteorier är komplicerat, och även när du klarar det, dina simuleringsmöjligheter är vanligtvis mycket begränsade, eftersom den erforderliga beräkningskraften är otroligt stor, sa Pizzi.

Nu, Pizzi och hans medförfattare har funnit att för pretermiska DTC:er kan de undvika att använda alltför komplicerade kvantmetoder och använda mycket mer överkomliga klassiska sådana istället. Den här vägen, forskarna kan simulera dessa fenomen på ett mycket mer omfattande sätt. Till exempel, de kan nu simulera många fler elementära beståndsdelar, få tillgång till de scenarier som är mest relevanta för experiment, som i två och tre dimensioner.

Med hjälp av en datorsimulering, forskarna studerade många interagerande snurr – som barnen på gungor – under verkan av ett periodiskt magnetfält – som att föräldern trycker på gungan – med hjälp av klassisk Hamiltonsk dynamik. Den resulterande dynamiken visade på ett snyggt och tydligt sätt egenskaperna hos pretermiska DTC:er:under lång tid, magnetiseringen av systemet oscillerar med en period som är större än frekvensomriktarens.

"Det är förvånande hur ren den här metoden är, ", sa Pizzi. "Eftersom det tillåter oss att titta på större system, det gör väldigt tydligt vad som händer. Till skillnad från när vi använder kvantmetoder, vi behöver inte kämpa med det här systemet för att studera det. Vi hoppas att denna forskning kommer att etablera klassisk Hamiltonsk dynamik som ett lämpligt tillvägagångssätt för storskaliga simuleringar av komplexa många kroppssystem och öppna nya vägar i studiet av icke-jämviktsfenomen, varav pretermiska felkoder bara är ett exempel."

Pizzis medförfattare på de två tidningarna, som båda nyligen var baserade i Cambridge, är Dr Andreas Nunnenkamp, nu vid universitetet i Wien, och Dr Johannes Knolle, nu vid Münchens tekniska universitet.

Under tiden, vid UC Berkeley, Norman Yaos grupp har också använt klassiska metoder för att studera pretermiska DTC. Anmärkningsvärt, Berkeley- och Cambridge-teamen har samtidigt tagit upp samma fråga. Yaos grupp kommer att publicera sina resultat inom kort.