科学家设计4维时空晶体:可制造钟表永远精确

来源: 转载 极客社区 时间:2012-9-27 10:18:32

这一设想中的时空晶体(a)显示在时间和空间维度中的周期性构造,而超冷状态下的离子不断在一维空间里发生自旋(b),即便是处于最低能量级也是如此

  据物理学家组织网站报道,想象一只可以永远保持走时精确无误的钟,即便是在宇宙达到热寂之后也是如此。这就是一种被称作“时空晶体”的装置背后的意义,这是一种4维晶体,在时空中拥有一种周期性结构。然而,这其中也存在着实际和重要的科学理由去构建一个时空晶体:有了这种4维晶体,科学家们将拥有一种全新的,更加有效的手段对复杂的物理属性和大量粒子的复杂相互作用行为进行研究,或者是研究物理学中所谓的“多体问题”。这种时空晶体同样可以被用来对量子世界进行研究,如量子纠缠现象,在这种状态中,当对其中一个粒子进行操作时,另外一个粒子也会相应地发生变化,即便这两个粒子之间隔开着巨大的距离。

  然而这种时空晶体长期以来都仅仅存在于理论物理学家们的头脑中,却并没有任何严肃的有关如何将其实际制造出来的手段——直到现在。一个由美国能源部劳伦斯-伯克利国家实验室的研究人员们领衔的国际科学家小组近期提出了一种时间晶体的实验设计方案,该方案是基于电场离子阱和粒子之间的库伦斥力构建的。

  伯克利实验室材料科学分部研究科学家张翔(音译:Xiang Zhang)说:“离子阱的电场将带电粒子固定住,而库伦斥力让它们自发地形成一个空间环状晶体。在一个微弱的静态磁场作用下,这一环状离子晶体将开始用无止境的转动。”

  这一被固定住的离子将会产生时间序列,从而让一个时空晶体在最低的量子态上形成。“由于这一时空晶体已经位于最低量子能态,其时间序列,从理论上说将会永远持续,即便是当宇宙达到熵的极大值,也就是达到‘热寂’状态时,情况也是一样。”张翔是美国加州大学伯克利分校机械工程系教授,他还负责该校纳米尺度科学与工程中心的工作。他是这项工作的论文通讯作者,论文标题是《离子阱时空晶体》,该文章发表在物理评论快报(PRL)上。

  有关这种在时间中拥有不连续序列的晶体概念是在今年年初由诺贝尔奖获得者,麻省理工学院物理学家弗兰克·维尔泽克(Frank Wilczek)提出的。维尔泽克从数学上证明了时间晶体可以存在,然而至于如何实际地将它制造出来则没有给出方法。然而张翔的研究团队自从2011年9月份以来便一直致力于不同系统中时间序列的研究,现在他们提出了一种实验性的设计方案,旨在制造出一种在时间和空间中都呈现离散性质的晶体,也就是一种时空晶体。

  传统的晶体是三维的固体结构,它们由原子或分子相互重复地连接在一起。比较常见的案例是水冰,盐以及雪花。结晶是当一个分子系统失去能量,直到其达到较低的能量态时呈现的结果。在低能态的某个点上,连续的空间对称将会被打破,此时晶体显示离散的对称性,也就意味着其结果不再在各个方向上对称,而仅仅在局部方向上保持对称。李彤昌(音译:Tongcang Li)是张翔研究团队的成员,博士后研究员,他说:“在过去的数十年间,在低维度晶体材料的研究方面取得了重大进展,如二维石墨烯,一维的纳米碳管,还有零维的巴基球。而设计一种超越传统3维的晶体是物理学中的一项重要理论突破,我们很荣幸能成为首个提出如何去实际制造出一个时空晶体的研究团队。”

  正如当连续的空间对称对打破之后3维晶体将会以最低量子能态形式呈现一样,当这种情况发生时,时空晶体的时间组成也将呈现类似的反应。根据张翔,李彤昌以及团队中其他同事们的设计,这一由被捕获的离子构成的空间环状体呈现的永久性自旋会导致其周期性地在时间中复制自身,从而形成一个以普通空间晶体形式呈现的,对原时空晶体的时间模拟体。由于其在时间和空间两方面中都拥有周期性构造,我们得到的是一个时空晶体。李彤昌表示:“时空晶体看起来就像一个永动机,乍一看似乎不太可能。”他说:“你必须牢记,即便是一个超导体,甚至一个普通的金属环,只要位于合适的环境条件下,当其呈现量子基态时它都可以支持持续的电子流。不过当然了,金属中的电子流缺乏空间序列,因此不能被用来构建时空晶体。”

  李彤昌很快便指出他们所研制的时空晶体并非永动机,因为当位于最低量子能级时,系统并不输出能量。然而在很多科学研究中,这种时空晶体都将是极其宝贵的。李彤昌表示:“时空晶体本身就是一个多体问题。因此,它可以被作为研究传统物理学多体问题的新手段。举例而言,时空晶体是如何出现的?对称破缺的时间反应是什么?时空晶体中的假粒子是什么?时空晶体中的误差效应的影响如何?对这些问题的探究将极大地推进我们对于自然界的理解。”

  张鹏(音译:Peng Zhang)是论文合著者,同样是张翔团队的成员。他指出时空晶体可能将可以被用来在时空中不同自旋态下储存和传递量子信息。这种晶体还可能可以在除去捕获的离子之外其它的物理系统中找到相似之处。他说:“这种相似之处将帮助我们打开通往完全新颖的技术和设备的大门,它们将具有多样化的用途。”张翔相信目前便可以利用他们提出的方案和最优秀的离子阱技术来制造出一个真正的时空晶体,目前他们的团队正积极寻求和在这方面拥有合适专业设备和专业技能的相关机构展开合作。张翔表示:“主要的挑战将是如何将一个离子环冷却到基态。这一困难随着未来几年离子阱技术的进一步发展将会被解决。由于在此之前还从未有过时空晶体,它的大部分性质我们都是未知的,我们需要对其进行研究。这些研究将会加深我们对于相变和对称破缺的理解。”