Когда множество частиц взаимодействует сложным образом, они могут спонтанно впадать в повторяющийся ритм, вместо того чтобы вести себя хаотично. Это явление известно как «временной кристалл». Исследователи из Технического университета Вены (TU Wien) продемонстрировали, что временные кристаллы могут образовываться с помощью совершенно другого механизма, чем считали возможным учёные. Их расчёты показывают, что квантовые корреляции между частицами, которые раньше считались разрушающими эти закономерности, на самом деле могут способствовать их стабилизации. Это открытие открывает поразительную новую перспективу на то, как возникает коллективное поведение в квантовых системах.
Когда жидкость замерзает, её частицы переходят из состояния беспорядка в упорядоченное. В жидком состоянии частицы движутся свободно и хаотично, не образуя никаких особых паттернов. По мере затвердевания жидкости частицы фиксируются в точных положениях, образуя регулярную и повторяющуюся пространственную структуру — кристалл. Жидкость однородна во всех направлениях, но в кристалле эта симметрия нарушается: он приобретает структуру, в которой некоторые направления становятся отличными от других.
Может ли подобное нарушение симметрии происходить во времени, а не в пространстве? Может ли квантовая система, которая изначально ведёт себя одинаково в каждый момент времени, спонтанно развивать повторяющийся временной паттерн — ритм, проявляющийся как порядок во времени?
Этот вопрос является предметом интенсивных исследований в квантовой физике уже более десяти лет. Фактически, было показано, что так называемые временные кристаллы возможны — системы, в которых устанавливается временной ритм без наложения ритма извне.
Однако считалось, что это возможно только в очень специфических системах, таких как квантовые газы, физику которых можно хорошо описать средними значениями, не принимая во внимание случайные флуктуации, которые неизбежны в квантовой физике. Теперь учёные показали, что именно квантовые физические корреляции между частицами, которые ранее считались препятствием для образования временных кристаллов, могут привести к появлению временных кристаллических фаз.
Сложные квантовые взаимодействия между частицами вызывают коллективное поведение, которое невозможно объяснить на уровне отдельных частиц — подобно тому, как дым от погасшей свечи иногда может образовывать регулярную серию дымовых колец; это явление, ритм которого не диктуется извне и которое невозможно понять, рассматривая отдельные частицы дыма.
Исследование даёт возможность лучше понять теорию квантовых многочастичных систем, прокладывая путь для новых квантовых технологий или высокоточных методов квантовых измерений.
Источник: habr.com