'n Nuwe fase van materie, wat vermoedelik verstaanbaar is slegs met behulp van kwantumfisika, kan met veel eenvoudiger klassieke metodes bestudeer word.
Navorsers van die Universiteit van Cambridge het rekenaarmodellering gebruik om potensiële nuwe fases van materie bekend as pretermiese diskrete tydkristalle (DTC's) te bestudeer. Daar is gedink dat die eienskappe van pretermiese DTC's afhanklik was van kwantumfisika: die vreemde wette wat deeltjies op die subatomiese skaal regeer. Die navorsers het egter gevind dat 'n eenvoudiger benadering, gebaseer op klassieke fisika, gebruik kan word om hierdie geheimsinnige verskynsels te verstaan.
"Ons het gedink tydkristalle is fundamenteel kwantumverskynsels, maar dit blyk dat 'n eenvoudiger klassieke benadering ons meer daaroor kan leer." — Andrea Pizzi
Om hierdie nuwe fases van materie te verstaan, is 'n stap vorentoe in die rigting van die beheer van komplekse veelliggaamstelsels, 'n langdurige doelwit met verskeie potensiële toepassings, soos simulasies van komplekse kwantumnetwerke. Die resultate word in twee gesamentlike referate in Physical Review Letters en Fisiese hersiening B.
Wanneer ons iets nuuts ontdek, of dit nou 'n planeet, 'n dier of 'n siekte is, kan ons meer daaroor leer deur al hoe meer daarna te kyk. Eenvoudiger teorieë word eerstens probeer, en as dit nie werk nie, word meer ingewikkelde teorieë of metodes probeer.
"Dit was wat ons gedink het die geval was met pretermiese DTC's," het Andrea Pizzi, 'n PhD-kandidaat in Cambridge se Cavendish Laboratory, eerste skrywer op beide vraestelle, gesê. "Ons het gedink dit is fundamenteel kwantumverskynsels, maar dit blyk dat 'n eenvoudiger klassieke benadering ons meer daaroor kan leer."
DTC's is hoogs komplekse fisiese stelsels, en daar is nog baie om te leer oor hul ongewone eienskappe. Soos hoe 'n standaard ruimtekristal ruimte-translasie-simmetrie breek omdat sy struktuur nie oral in die ruimte dieselfde is nie, breek DTC's 'n duidelike tyd-translasie-simmetrie omdat, wanneer hulle periodiek 'geskud' word, hul struktuur by elke 'druk' verander.
"Jy kan daaraan dink soos 'n ouer wat 'n kind op 'n swaai op 'n speelgrond stoot," het Pizzi gesê. “Gewoonlik stoot die ouer die kind, die kind sal terugswaai, en die ouer stoot hulle dan weer. In fisika is dit 'n redelik eenvoudige stelsel. Maar as verskeie swaaie op dieselfde speelgrond was, en as kinders daarop hande met mekaar vashou, dan sou die stelsel baie meer kompleks word, en baie interessanter en minder voor die hand liggende gedrag kon na vore kom. 'n Pretermiese DTC is een so 'n gedrag, waarin die atome, wat soos swaaie optree, net 'terugkom' elke tweede of derde druk, byvoorbeeld.
Eerste voorspel in 2012, DTC's het 'n nuwe veld van navorsing geopen, en is in verskeie tipes bestudeer, insluitend in eksperimente. Onder hierdie is pretermiese DTC's relatief eenvoudig om te realiseer stelsels wat nie vinnig verhit soos normaalweg verwag word nie, maar eerder tydkristallyne gedrag vir 'n baie lang tyd vertoon: hoe vinniger hulle geskud word, hoe langer oorleef hulle. Daar is egter gedink dat hulle op kwantumverskynsels staatmaak.
"Die ontwikkeling van kwantumteorieë is ingewikkeld, en selfs wanneer jy dit bestuur, is jou simulasievermoëns gewoonlik baie beperk, want die vereiste rekenkrag is ongelooflik groot," het Pizzi gesê.
Nou het Pizzi en sy mede-outeurs gevind dat hulle vir pretermiese DTC's kan vermy om te ingewikkelde kwantumbenaderings te gebruik en eerder baie meer bekostigbare klassieke benaderings te gebruik. Op hierdie manier kan die navorsers hierdie verskynsels op 'n baie meer omvattende manier naboots. Hulle kan byvoorbeeld nou baie meer elementêre komponente simuleer en toegang kry tot die scenario's wat die mees relevante is vir eksperimente, soos in twee- en driedimensies.
Deur 'n rekenaarsimulasie te gebruik, het die navorsers baie interaktiewe draaie bestudeer - soos die kinders op die swaaie - onder die werking van 'n periodieke magnetiese veld - soos die ouer wat die swaai stoot - met behulp van klassieke Hamiltoniaanse dinamika. Die gevolglike dinamika het op 'n netjiese en duidelike manier die eienskappe van pretermiese DTC's getoon: vir 'n lang tyd ossilleer die magnetisering van die stelsel met 'n tydperk wat groter is as dié van die aandrywing.
"Dit is verbasend hoe skoon hierdie metode is," het Pizzi gesê. “Omdat dit ons in staat stel om na groter stelsels te kyk, maak dit baie duidelik wat aangaan. Anders as wanneer ons kwantummetodes gebruik, hoef ons nie met hierdie stelsel te veg om dit te bestudeer nie. Ons hoop dat hierdie navorsing klassieke Hamiltoniaanse dinamika sal vestig as 'n geskikte benadering tot grootskaalse simulasies van komplekse veelliggaamstelsels en nuwe weë sal oopmaak in die studie van nie-ewewigsverskynsels, waarvan pretermiese DTC's net een voorbeeld is."
Pizzi se mede-outeurs op die twee referate, wat albei onlangs by Cambridge gebaseer was, is dr. Andreas Nunnenkamp, nou aan die Universiteit van Wene in Oostenryk, en dr Johannes Knolle, nou by die Tegniese Universiteit van München in Duitsland.
Intussen, by UC Berkeley in die VSA, het Norman Yao se groep ook klassieke metodes gebruik om pretermiese DTC's te bestudeer. Merkwaardig genoeg het die Berkeley- en Cambridge-spanne gelyktydig dieselfde vraag aangespreek. Yao se groep sal binnekort hul resultate publiseer.
Verwysing: "Klassieke benaderings tot pretermiese diskrete tydkristalle in een, twee en drie dimensies" deur Andrea Pizzi, Andreas Nunnenkamp en Johannes Knolle, 27 September 2021, Physical Review Letters en Fisiese hersiening B.
DOI: 10.1103/PhysRevB.104.094308
