В прошлом году ученые-физики занимались проработкой идеи о возможности создания так называемых пространственно временных кристаллов, структур, способных двигаться даже после «тепловой смерти» Вселенной. Идею создания таких кристаллов выдвинул в феврале 2012 года Франк Вилкзек (Frank Wilczek), который предположил, что при определенных условиях можно заставить некую физическую повторяющуюся структуру перемещаться бесконечно долго, не расходуя при этом никакой энергии. В июне прошлого года группа исследователей из Беркли предложила реализовать идею Франка Вилкзека в виде постоянно вращающегося кольца, состоящего из заряженных атомов, ионов.
На проблему, скрывающуюся в таком подходе, указал физик Патрик Бруно (Patrick Bruno), который в марте этого года опубликовал в журнале Physical Review Letters, статью, полностью посвященную этому. Он отметил, что для того, чтобы стать действительным пространственно-временным кристаллом, объект должен двигаться, находясь в самом низком из возможных энергетических состояний, стандартное состояние. В системах, описанных Франком Вилкзеком и учеными из Беркли, система находится в возбужденном энергетическом состоянии, которая при некоторых условиях может потерять часть своей энергии и, поэтому, не может считаться пространственно-временным кристаллом.
В ответ на сделанное Патриком Бруно замечание исследователи из Беркли нашли способ преодоления вышеуказанной проблемы. Используя свои последние достижения в области создания низкошумящих ионных ловушек, они собираются создать новую ионную ловушку, в которой можно будет получить действительный пространственно-временной кристалл, характеристики которого удовлетворяют всем требованиям.
В самом ближайшем времени команда из Беркли, возглавляемая Сяном Зангом (Xiang Zhang) и Хартмутом Хэффнером (Hartmut Haffner), попытается создать пространственно-временной кристалл, вводя 100 ионов кальция в ионную ловушку, шириной 100 микронов. Ионы кальция будут удерживаться в ловушке электрическими полями и сформируют невидимое кольцо, которое начнет вращаться под воздействием статического магнитного поля. Согласно первоначальным расчетам, это кольцо ионов должно будет перейти в стандартное энергетическое состояние после принудительного охлаждения атомов лучами лазерного света до температуры около миллионной доли градуса выше абсолютного ноля.
В настоящее время существует несколько разновидностей технологии лазерного охлаждения, но все они работают за счет одного основного принципа. Фотоны лазерного света определенной длины волны попадают в атом и поглощаются им. Полученная атомом энергия заставляет атом излучить новый фотон света, длина волны которого отличается от длины волны поглощенного фотона, а энергия излученного фотона выше, чем энергия поглощенного фотона. Лишняя энергия, требующаяся для работы этого процесса, берется из энергии кинетического движения атома, его тепловой энергии. Таким образом, за несколько таких циклов переизлучения фотонов атом практически перестает двигаться, охладившись до сверхнизкой температуры.
Но раньше сверхнизкотемпературному охлаждению атомов, пойманных в ионную ловушку, мешало тепло, излучаемое электродами, создающими электрические поля ловушки. Проведя исследования, ученые выяснили, что источниками этого тепла являлись атомы некоторых примесей в материале электродов. Избавиться от этого помогла ионная очистка электродов с помощью луча ионов аргона, который является одной из составных частей ловушки. Проведенные позже эксперименты показали, что такая очистка позволила уменьшить в 100 раз тепловые шумы, производимые колебаниями электрического поля в ловушке.
План эксперимента по созданию пространственно-временного кристалла состоит в качественном сверхнизкотемпературном охлаждении области ловушки. По достижению заданной температуры будет включено магнитное поле, которое заставит ионы кальция равномерно двигаться по кругу вокруг одной точки, создавая, таким образом, структуру пространственно-временного кристалла. Чтобы проконтролировать вращение ионов один из сотни ионов время от времени будет переводиться в более высокое энергетическое состояние, в котором можно отследить его движение. И если наблюдения подтвердят равномерное вращение всех ионов, то ученых в руках окажется четырехмерный кристалл, одним из измерений которого будет являться время.
Реализация новых экспериментов учеными Беркли может потребовать значительного времени. Но некоторые ученые-физики, включая и Патрика Бруно, не уверены в успехе этих экспериментов, их основным аргументом является то, что не существует методов определения движения объектов, находящихся в самом низком (стандартном) энергетическом состоянии. Другими словами, даже если станет возможным создание вращающегося в ионной ловушке кольца атомов, то наблюдать за этим движением, не нарушая любой из принципов термодинамики, не предоставляется возможным.
Но, в случае успешного создания пространственно-временного кристалла, человечество может получить в свое распоряжение уникальный квантовый инструмент, на основе которого можно будет создать часы настолько точные, по сравнению с которыми современные атомные часы будут выглядеть детским будильником. Помимо этого, пространственно-временные кристаллы, наверняка найдут применение в качестве вычислительных элементов будущих квантовых компьютеров и других подобных устройств. Так что в любом случае игра стоит свеч.
