En tidskristall är en unik och exotisk fas av materia som först förutspåddes av den amerikanske fysikern Frank Wilczek 2012. Tidskristaller är temporala analoger till mer konventionella rymdkristaller, eftersom båda är baserade på strukturer som kännetecknas av upprepade mönster.

Istället för att bilda repetitiva mönster över tredimensionell (3D) rymd, som rymdkristaller gör, tidskristaller kännetecknas av förändringar över tid som sker i ett uppsatt mönster. Medan vissa forskarlag har kunnat inse dessa exotiska faser av materia, än så länge, dessa realiseringar har endast uppnåtts med slutna system. Detta väckte frågan om tidskristaller också kunde realiseras i öppna system, i närvaro av försvinnande och dekoherens.

Forskare vid Institutet för laserfysik vid universitetet i Hamburg har nyligen realiserat en tidskristall i ett öppet kvantsystem för första gången. Deras papper, publiceras i Fysiska granskningsbrev , kan ha viktiga konsekvenser för studiet av exotiska faser av materia i kvantsystem.

"Det primära syftet med vår forskning är att undersöka dynamiska faser av materia kända för hur deras egenskaper förändras över tiden på ett ordnat sätt, "Hans Keßler, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Under mina doktorandstudier, mina kollegor och jag undersökte fasövergången från en homogen BEC till en självordnad superstrålande fas och vi studerade hur systemet reagerar på en släckning från ett stabilt tillstånd till ett annat."

Eftersom inget fysiskt tillstånd är medfött stabilt, nästa steg för den tidigare forskning som Keßler och hans kollegor utförde var att undersöka dynamiska faser av materia. Dessa är i huvudsak övergångar genom vilka material ändrar sina egenskaper över tid.

Huvudsyftet med forskarnas senaste studie var att realisera en försvinnande tidskristall i en laboratoriemiljö. Att göra detta, de använde ett kvantmångkroppssystem starkt kopplat till en smalbandig optisk kavitet.

"Det var avgörande för våra experiment att ljusfältet inuti resonatorn och densiteten hos många kroppssystemet utvecklades på samma fot, som ges av kavitetsbandets bredd och frekvensen som motsvarar en enda fotonisk rekyl, respektive, "Keßler förklarade." Denna situation är unik i vårt atom-kavitetssystem och öppnar möjligheten att studera dynamiska faser av materia. "

Eftersom verkliga fysiska system aldrig är helt isolerade från sin omgivning, de är mottagliga för avledning (dvs. förlust eller slöseri med energi). Detta gör det svårt eller omöjligt att realisera kvantsystem som verkligen är stängda under godtyckliga tidsperioder. Detta är vad som i slutändan inspirerade Keßler och hans kollegor att istället försöka förverkliga en tidskristall i ett öppet kvantsystem.

"Än så länge, tidskristallerna som visades i olika grupper krävde noggrann isolering från omgivningen, eftersom spridning har den oönskade effekten av att 'smälta' dessa tidskristaller, "Sa Keßler." Det unika med tidskristallen i vårt atom-hålrum är dess positiva roll för att förhindra spridning, eftersom det hjälper till att stabilisera systemets dynamik. Demonstrationen av tidskristallin ordning i ett öppet system är således den viktigaste prestationen i vår studie."

Den nyligen genomförda studien av detta team av forskare ger starka bevis för att en diskret tidskristall kan existera i ett driven och öppen atom-kavitetssystem. Keßler och hans kollegor försöker nu realisera en kontinuerlig tidskristall med samma atom-kavitetssystem som de använde i sitt senaste arbete.

Den viktigaste skillnaden mellan denna kontinuerliga dissipativa tidskristall och den diskreta dissipativa tidskristallen som insågs som en del av deras senaste studie är att den förra oscillerar även i frånvaro av en tids-periodisk drivning. Som ett resultat av denna svängning, den nya kristallen som de undersöker bryter spontant en kontinuerlig tidsöversättningssymmetri.

"Som vi föreslog för scenariot som beskrivs i vår senaste tidning, vårt atom-kavitetssystem kommer att byta till ett materiellt tillstånd som kännetecknas av periodiska svängningar vid någon egenfrekvens, " Keßler tillade. "Den relativa fasen av svängningarna i en sådan tidskristall förväntas ta alla värden mellan 0 och 2pi. Detta skiljer sig mycket från diskreta tidskristaller, varvid den relativa fasen endast kan vara antingen O eller pi. På ett sätt, en kontinuerlig tidskristall är närmare en solid kristall genom att de båda bryter kontinuerlig symmetri.

© 2021 Science X Network