Квантовые корреляции стабилизируют временные кристаллы

У природы много ритмов: смена времён года обусловлена движением Земли вокруг Солнца, тиканье маятниковых часов — колебаниями маятника. Эти явления можно описать простыми уравнениями. Однако регулярные ритмы могут возникать и совершенно другим способом — сами по себе, без внешнего «метронома», благодаря сложному взаимодействию множества частиц. Вместо однородного беспорядка возникает чёткий ритм — это явление называют «временным кристаллом».

Корреляции между квантовыми частицами приводят к возникновению ритмического сигнала без необходимости во внешнем тактовом генераторе. Автор: TU Wien

Расчёты, проведённые в Венском техническом университете (TU Wien), показывают, что такие временные кристаллы могут формироваться способом, отличным от ранее предполагавшегося. Квантовые корреляции между частицами, которые ранее считались препятствием для возникновения подобных явлений, на самом деле могут стабилизировать временные кристаллы. Это неожиданное новое понимание квантовой физики многочастичных систем.

Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Пространственные и временные кристаллы

Когда жидкость замерзает, частицы меняют свой пространственный порядок: в жидкости они движутся хаотично и случайно, не образуя структуры. При замерзании формируется кристалл, в котором отдельные частицы располагаются в строго определённых местах, образуя регулярный узор. Жидкость выглядит одинаково во всех точках, её свойства одинаковы повсюду и во всех направлениях, она полностью симметрична. В кристалле же эта симметрия нарушается: внезапно возникает регулярная структура, появляются направления, отличающиеся от других.

Может ли подобное нарушение симметрии произойти во времени? Возможно ли, что квантовая система изначально неупорядочена во времени, что каждый момент времени идентичен другому, но тем не менее возникает временной порядок?

Квантовые флуктуации: вредны или полезны?

«Этот вопрос является предметом интенсивных исследований в квантовой физике уже более десяти лет», — говорит Феликс Руссо из Института теоретической физики TU Wien, который работает над докторской диссертацией в команде профессора Томаса Пола. Действительно, было показано, что так называемые временные кристаллы возможны — это системы, в которых устанавливается временной ритм без внешнего воздействия.

«Однако считалось, что это возможно только в очень специфических системах, таких как квантовые газы, физику которых можно хорошо описать средними значениями, без учёта случайных флуктуаций, неизбежных в квантовой физике», — поясняет Руссо. «Мы же показали, что именно квантовые корреляции между частицами, которые ранее считались препятствующими формированию временных кристаллов, могут приводить к возникновению временно-кристаллических фаз».

Сложные квантовые взаимодействия между частицами вызывают коллективное поведение, которое нельзя объяснить на уровне отдельных частиц — подобно тому, как дым от затушенной свечи иногда может образовывать регулярную серию дымовых колец; явление, ритм которого не задаётся извне и которое нельзя понять, изучая отдельные частицы дыма.

Частицы в лазерной решётке

«Мы исследуем двумерную решётку частиц, удерживаемых на месте лазерными лучами», — говорит Руссо. «И здесь мы можем показать, что состояние решётки начинает колебаться — благодаря квантовому взаимодействию между частицами».

Исследование открывает возможность лучше понять теорию квантовых многочастичных систем, прокладывая путь к новым квантовым технологиям или высокоточным квантовым методам измерений.

Больше информации: Felix Russo et al, Quantum Dissipative Continuous Time Crystals, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/dc2s-94gv

Источник: Vienna University of Technology