Новую фазу материи, которую можно понять только с помощью квантовой физики, можно изучать гораздо более простыми классическими методами.
Исследователи из Кембриджского университета использовали компьютерное моделирование для изучения потенциальных новых фаз материи, известных как докермические кристаллы дискретного времени (DTC). Считалось, что свойства дотепловых DTC зависят от квантовой физики: странных законов, управляющих частицами на субатомном уровне. Однако исследователи обнаружили, что для понимания этих загадочных явлений можно использовать более простой подход, основанный на классической физике.
«Мы думали, что кристаллы времени - это в основном квантовые явления, но оказалось, что более простой классический подход позволяет нам узнать о них больше». - Андреа Пицци
Понимание этих новых фаз материи - шаг вперед к управлению сложными системами многих тел, давняя цель с различными потенциальными приложениями, такими как моделирование сложных квантовых сетей. Результаты представлены в двух совместных статьях в Physical Review Letters, и Физический обзор B.
Когда мы открываем что-то новое, будь то планета, животное или болезнь, мы можем узнать о нем больше, глядя на него все более пристально. Сначала пробуются более простые теории, а если они не работают, пробуются более сложные теории или методы.
«Это то, что мы думали о дотепловых DTC», - сказала Андреа Пицци, кандидат наук из Кэвендишской лаборатории Кембриджа, первый автор обеих статей. «Мы думали, что это в основном квантовые явления, но оказалось, что более простой классический подход позволяет нам узнать о них больше».
DTC - это очень сложные физические системы, и еще многое предстоит узнать об их необычных свойствах. Подобно тому, как стандартный космический кристалл нарушает пространственно-трансляционную симметрию, потому что его структура не одинакова повсюду в пространстве, DTC нарушают четкую трансляционную симметрию во времени, потому что при периодическом «встряхивании» их структура изменяется при каждом «толчке».
«Вы можете думать об этом, как о родителях, которые толкают ребенка на качелях на игровой площадке», - сказал Пицци. «Обычно родитель толкает ребенка, ребенок раскачивается назад, а затем родитель толкает его снова. В физике это довольно простая система. Но если бы на одной и той же игровой площадке было несколько качелей, и если бы дети на них держались друг за друга за руки, тогда система стала бы намного более сложной, и могло бы появиться гораздо более интересное и менее очевидное поведение. Дотепловой DTC - одно из таких действий, при котором атомы, действуя как бы как качели, «возвращаются», например, только каждый второй или третий толчок ».
Впервые предсказанные в 2012 году, DTC открыли новую область исследований и изучались в различных типах, в том числе в экспериментах. Среди них дотепловые DTC - это относительно простые в реализации системы, которые не нагреваются быстро, как обычно ожидается, но вместо этого демонстрируют кристаллическое во времени поведение в течение очень долгого времени: чем быстрее они встряхиваются, тем дольше они выживают. Однако считалось, что они полагаются на квантовые явления.
«Разработка квантовых теорий сложна, и даже когда вы ею занимаетесь, ваши возможности моделирования обычно очень ограничены, потому что требуемая вычислительная мощность невероятно велика», - сказал Пицци.
Теперь Пицци и его соавторы обнаружили, что для дотепловых DTC они могут избежать использования слишком сложных квантовых подходов и вместо этого использовать гораздо более доступные классические. Таким образом, исследователи могут моделировать эти явления более всесторонним образом. Например, теперь они могут моделировать гораздо больше элементарных составляющих, получая доступ к сценариям, которые наиболее актуальны для экспериментов, например, в двух и трех измерениях.
Используя компьютерное моделирование, исследователи изучили множество взаимодействующих вращений - например, детей на качелях - под действием периодического магнитного поля - как родитель, толкающий качели - с использованием классической гамильтоновой динамики. Полученная в результате динамика четко и ясно продемонстрировала свойства дотермических КДК: в течение длительного времени намагниченность системы колеблется с периодом, большим, чем у привода.
«Удивительно, насколько чистым является этот метод», - сказал Пицци. «Поскольку это позволяет нам взглянуть на более крупные системы, он очень ясно показывает, что происходит. В отличие от квантовых методов, нам не нужно бороться с этой системой, чтобы изучить ее. Мы надеемся, что это исследование установит классическую гамильтонову динамику в качестве подходящего подхода к крупномасштабному моделированию сложных систем многих тел и откроет новые возможности в изучении неравновесных явлений, из которых дотепловые DTC являются лишь одним из примеров ».
Соавторами Пицци по двум статьям, которые оба недавно работали в Кембридже, являются доктор Андреас Нунненкамп, ныне работающий в Венском университете в Австрии, и доктор Йоханнес Нолле, ныне работающий в Техническом университете Мюнхена в Германии.
Между тем, в Калифорнийском университете в Беркли, США, группа Нормана Яо также использовала классические методы для изучения претермических DTC. Примечательно, что команды из Беркли и Кембриджа одновременно ответили на один и тот же вопрос. Группа Яо вскоре опубликует свои результаты.
Ссылка: «Классические подходы к изучению докермических кристаллов дискретного времени в одном, двух и трех измерениях» Андреа Пицци, Андреаса Нунненкампа и Йоханнеса Нолле, 27 сентября 2021 г., Physical Review Letters, и Физический обзор B.
DOI: 10.1103 / PhysRevB.104.094308
