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: странные законы, управляющие частицами на субатомном уровне. Однако исследователи обнаружили, что для понимания этих загадочных явлений можно использовать более простой подход, основанный на классической физике.
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 Physical Review B.
Когда мы открываем что-то новое, будь то планета, животное или болезнь, мы можем узнать об этом больше, глядя на это все более пристально. Сначала пробуются более простые теории, а если они не работают, применяются более сложные теории или методы.
«Это было то, что мы думали о дотермических 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 позволил 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 поворачивается 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 – это одно из таких поведений, при котором атомы, действуя как бы качели, «возвращаются» только каждый второй или третий толчок, например."
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 можно было бы ожидать, 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 справляетесь с этим, 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 гораздо более комплексно. 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 кодов неисправности: 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 смотреть на более крупные системы, он очень ясно дает понять, 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 как подходящий подход к крупномасштабному моделированию сложных систем многих тел и откроет новые возможности в изучении неравновесных явлений, из которых дотепловые ДТК являются лишь одним из примеров."
Соавторами Пицци по двум статьям, которые оба недавно работали в Кембридже, являются д-р Андреас Нунненкамп, ныне работающий в Венском университете, и д-р Йоханнес Нолле, ныне работающий в Мюнхенском техническом университете.
Между тем, в Калифорнийском университете в Беркли группа Нормана Яо также использовала классические методы для изучения догепловых DTC. Примечательно, что команды Беркли и Кембриджа одновременно ответили на один и тот же вопрос.
Группа Яо вскоре опубликует свои результаты.