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物理学家用四维"时空晶体" 造永不停止钟表(图)

http://www.kexue.com 2012-09-28 09:34:21 搜狐科学  发表评论

想象一只能够永远走时精准的钟表或装置,能够用来打开量子现象的新维度,如层展和纠缠态。
想象一只能够永远走时精准的钟表或装置,能够用来打开量子现象的新维度,如层展和纠缠态

a为物理学家构建的“时空晶体”,b为模拟该晶体发生永不停止旋转。
a为物理学家构建的“时空晶体”,b为模拟该晶体发生永不停止旋转

  据国外媒体报道,一支国际科学家小组和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室合作,使理论物理学在由概念向实际实现的过程中取得了巨大飞跃。这个小组提出了一种构建“时空晶体”(Space-time crystal)的方法,该方法基于电场离子陷阱和同种电荷粒子之间的库仑排斥力。

  来自伯克利实验室材料科学部门主导该研究的科学家张翔(Xiang Zhang)说:“离子陷阱中的电场束缚着带电粒子,库仑排斥力使离子自发形成空间环形晶体。在施加一个弱静磁场的情况下,这个环状结构中的粒子晶体将会发生永不停止的旋转。陷阱中永不停止旋转的离子会产生暂态有序(temporal order),导致在最低量子能态下产生时空晶体。”

  张翔教授等人把这项工作发表在了《物理学评论快报》(PRL)上,论文的题目是“离子陷阱中的时空晶体”(Space-time crystals of trapped ions)。

  为了便于理解张教授等人的贡献,先来了解一下自然界中存在的晶体。通常晶体都是固态,由原子或分子组成有序重复排列的三维空间结构。冰块、食盐以及雪花都是晶体的例子。仅当从一个体系中移走热量的时候,才允许体系能量降低而结晶化。当达到某一个临界点的时候,连续的空间对称会破坏掉晶体,这就是所谓的“离散对称”(discrete symmetry),这意味着晶体结构只在少数几个方向上相同,而不是在所有方向上。

  对于我们中的大多数人来说,这个概念是令人难以置信的。这些研究者利用晶体形成的性质制成四维中的钟表,不需要任何能量并且能够持续到宇宙的热寂死亡(heat-death of the universe)。

  该论文的作者之一,来自张翔教授研究组的博士后李统藏解释道:“咋看起来,时空晶体有些不可思议,因为它看起来好像是一架永动机。要知道,超导体或在特定条件下处于量子基态的金属环也能够维持永久性的电流。当然,金属中的电子缺乏空间有序,因此不能用来制造时空晶体。不要误认为时空晶体是永动机,因为处于最低量子能态的体系,是不会向外输出任何能量的。”

  李统藏说:“时空晶体是一个多体系统(many-body system),因此,它可以为我们提供研究经典多体问题的新方法。例如,时空晶体是如何出现的?时间平移对称是如何破缺的?时空晶体中的准粒子是什么?时空晶体中的缺陷会产生什么效应?对这些问题的研究将会极大增进我们对自然界的了解。”

  时空晶体一旦形成,将会运行在它的最低量子能态。因此,它的短暂有序(计时)理论上会持续到宇宙到达热动力学平衡的那一天或称为“热寂”。时空晶体除了能够用来构建比原子钟更加精确的计时器以外,在物理学的研究当中还有很多其它的应用。

  非常重要的一点是,增加了一个维度的晶体,在空间和时间上都有周期性的结构。这为科学家们提供了一种更有效的,用来研究复杂的物理性质和行为是如何从大量单个粒子的集体相互作用中出现的,这就是所谓的物理学中的多体难题。物理学中的另一个热点是“纠缠态”(Entanglement),是指当对一个粒子进行作用的时候,就会影响到另一个粒子,即使这两个粒子相距非常遥远。时空晶体也可以用来研究这种现象。(编译:双螺旋)

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