시간결정

Time crystal
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2023년 9월 28일 17:05 (UTC)
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응축 물질 물리학에서 시간 결정은 입자가 반복적으로 운동하는 가장 낮은 에너지 상태인 입자의 양자계입니다.그 시스템은 이미 양자 바닥 상태에 있기 때문에 환경에 에너지를 빼앗기고 휴식을 취할 수 없습니다.이 때문에 입자의 운동은 다른 운동처럼 운동 에너지를 나타내는 것이 아니라 "에너지가 없는 운동"을 합니다.시간 결정은 프랭크 윌첵(Frank Wilczek)에 의해 2012년에 일반 결정에 대한 시간 기반 유사체로 이론적으로 처음 제안되었습니다. 반면 결정의 원자는 공간에 주기적으로 배열되지만 시간 결정의 원자는 공간과 시간 모두에 주기적으로 배열됩니다.[1]여러 다른 그룹들은 주기적으로 구동되는 시스템에서 안정적인 주기적 진화를 가진 물질을 증명했습니다.[2][3][4][5]실용적인 측면에서 볼 때, 시간 결정은 언젠가 양자 컴퓨터 메모리로 사용될 수도 있습니다.[6]

자연에서 결정의 존재는 자발적인 대칭 파괴의 발현이며, 이는 계의 가장 낮은 에너지 상태가 계를 지배하는 방정식보다 덜 대칭적일 때 발생합니다.결정 기저 상태에서, 공간의 연속적인 병진 대칭은 깨지고 주기적 결정의 하위 이산 대칭으로 대체됩니다.물리 법칙들이 공간뿐만 아니라 시간적으로도 연속적인 번역 아래서 대칭을 이루면서, 시간적으로 대칭을 깨서 엔트로피에 강한 '시간 결정'을 만드는 것이 가능한지에 대한 의문이 2012년에 제기되었습니다.[1]

이산 시간 변환 대칭이 깨지면(주기적으로 구동되는 시스템에서 실현될 수 있음), 시스템을 이산 시간 결정이라고 합니다.이산 시간 결정은 비평형 물질의 한 종류이기 때문에 열평형에 도달하지 않습니다.시간 대칭의 깨짐은 비평형 시스템에서만 발생할 수 있습니다.[5]이산 시간 결정은 사실상 2016년(2017년 발표)부터 물리학 실험실에서 관측되어 왔습니다.비평형, 깨진 시간 대칭을 보여주는 시간 결정의 한 예는 가장 낮은 에너지 상태의 전하 이온의 지속적인 회전 고리입니다.[6]

개념.

일반적인 (시간이 아닌) 결정은 공간 대칭과 관련된 자발적인 대칭 파괴를 통해 형성됩니다.이러한 과정은 다이아몬드, 소금 결정, 강자성 금속과 같은 흥미로운 특성을 가진 물질을 생산할 수 있습니다.비유하자면, 시간 결정은 시간 번역 대칭의 자발적인 깨짐을 통해 발생합니다.시간 결정은 비공식적으로 시간 주기적 자기 조직화 구조로 정의될 수 있습니다.일반적인 결정이 공간에서 주기적인(반복적인 구조를 갖는) 반면, 시간 결정은 시간에서 반복적인 구조를 갖는 것입니다.시간 결정은 진자로 구동되는 시계의 진자가 시간에 주기적인 것과 같은 의미에서 시간적으로 주기적입니다.진자와 달리, 시간 결정은 "자발적으로" 강력한 주기적 운동(시간적 대칭을 깨뜨리는)으로 스스로 조직화됩니다.[7]

시간번역대칭

주요 기사:시간번역대칭

자연의 대칭은 직접적으로 보존 법칙으로 이어지는데, 이는 노에테르 정리에 의해 정확히 공식화된 것입니다.[8]

시간-번역 대칭성의 기본적인 생각은 시간에서의 번역이 물리적 법칙에 영향을 미치지 않는다는 것, 즉 오늘날 적용되는 자연의 법칙이 과거에도 동일했고 미래에도 동일할 것이라는 것입니다.[9]이 대칭성은 에너지의 보존을 의미합니다.[10]

정상 결정에서 대칭 깨짐

주요 기사:결정 대칭과 자발 대칭 깨짐
정상공정(N공정)과 Umklapp 공정(U공정).N-프로세스는 총 포논 운동량을 보존하는 반면, U-프로세스는 포논 운동량을 바꿉니다.

일반적인 결정은 깨어진 번역 대칭을 보여줍니다: 그것들은 공간에서 반복되는 패턴을 가지고 있고 임의의 번역이나 회전에서 불변하지 않습니다.물리학의 법칙은 자의적인 번역과 회전에 의해 변하지 않습니다.그러나, 우리가 결정의 원자를 고정시킨다면, 결정의 전자나 다른 입자의 역학은 결정에 대해 어떻게 움직이느냐에 따라 달라지며, 입자 운동량은 결정의 원자와 상호작용함으로써 변할 수 있습니다. 예를 들어, Umklapp 과정에서 말이죠.[11]그러나 준 운동량은 완벽한 결정으로 보존됩니다.[12]

시간 결정은 이산 공간-번역 대칭 깨짐과 유사한 깨짐 대칭을 보여줍니다.예를 들어,[citation needed] 결정의 표면에 얼어붙은 액체의 분자는 결정의 분자와 정렬될 수 있지만, 결정보다 대칭성이 낮은 패턴으로 정렬될 수 있습니다: 초기 대칭을 깨뜨립니다.이 깨진 대칭은 세 가지 중요한 특징을 나타냅니다.[citation needed]

  • 계는 결정의 기본 배열보다 더 낮은 대칭성을 갖습니다.
  • 시스템은 공간적 및 시간적 장거리 순서(unlike 결정 표면 근처의 액체에서 국소적 및 간헐적 순서)를 나타냅니다.
  • 이는 시스템 구성 요소 간 상호 작용의 결과이며, 이들 구성 요소는 서로 상대적으로 정렬됩니다.

이산 시간 결정(DTC)에서 대칭이 깨짐

시간 결정은 시간의 번역에 의해 계의 법칙이 불변하더라도 시간-번역 대칭을 깨고 시간에 따라 반복되는 패턴을 갖는 것처럼 보입니다.실험적으로 실현된 시간 결정은 연속적인 것이 아니라 이산 시간-번역 대칭 파괴를 보여줍니다. 그들은 구동력의 주파수의 일부로 진동하는 주기적으로 구동되는 시스템입니다.(필립 볼(Philip Ball)에 따르면, DTC는 "이들의 주기성이 주행 주기의 이산 정수배"이기 때문에 소위 "DTC"라고 합니다.)[13]

= n=인 이산 시간-번역 대칭( → + T{\ t t인 초기 대칭은 > 인 하위 이산 시간-번역 대칭으로 자발적으로 분해되며 여기서 는 시간, T 는 기간, 은(는) 정수입니다.[14]

많은 시스템은 자발적인 시간 번역 대칭 깨짐의 행동을 보여줄 수 있지만 이산(또는 플로케) 시간 결정은 아닐 수 있습니다: 대류 세포, 진동하는 화학 반응, 공기역학적 펄럭임, 패러데이 불안정성, NMR 스핀 에코, 매개변수 하향 변환과 같은 주기적인 구동력에 대한 서브하모닉 반응.주기 doubled 비선형 동적 시스템.

그러나 이산(또는 플로케) 시간 결정은 이산 시간-번역 대칭 깨짐의 엄격한 정의를 따른다는 점에서 독특합니다.[15]

  • 대칭이 깨졌습니다. 시스템은 구동력보다 긴 주기를 가진 진동을 보여줍니다.
  • 계는 암호 평형에 있습니다 – 이러한 진동은 엔트로피를 생성하지 않으며, 스트로보스코픽으로[15] 측정했을 때 계가 평형과 구별되지 않는 시간 의존 프레임이 발견될 수 있습니다 (대류 세포, 진동하는 화학 반응 및 공기역학적 펄럭임의 경우가 아님).
  • 시스템은 장거리 순서를 나타냅니다. – 발진이 임의의 장거리 및 시간에 걸쳐 위상(synchron화) 상태에 있습니다.

게다가, 시간 결정에서 대칭이 깨지는 것은 다체 상호작용의 결과입니다: 순서는 공간 결정에서와 마찬가지로 집단적 과정의 결과입니다.[14]NMR 스핀 에코의 경우에는 그렇지 않습니다.

이러한 특성은 이산 시간 결정을 위에서 설명한 공간 결정과 유사하게 만들고 비평형 물질의 새로운 유형 또는 위상으로 간주할 수 있습니다.[14]

열역학

시간 결정은 열역학 법칙에 위배되지 않습니다. 전체적인 계의 에너지가 보존되고, 이러한 결정은 자발적으로 열 에너지를 기계적인 일로 변환시키지 않으며, 영구적인 일의 저장고 역할을 할 수 없습니다.하지만 시스템을 유지할 수 있는 한, 시간에 따라 고정된 패턴으로 지속적으로 변화할 수도 있습니다.그들은 "에너지가 없는 운동"을 가지고 있는데,[16] 그들의 겉보기 운동은 일반적인 운동 에너지를 나타내지 않습니다.[17]주기적으로 구동되는 비평형 상태에서 이산 시간 결정을 탐색하는 최근의 실험적 발전은 비평형 물질의 새로운 단계를 시작하게 했습니다.[14]

시간 결정은 열역학 제2법칙을 회피하지 않지만,[18] 비록 그것들이 안정한 물체가 시간 내내 동일하게 유지된다는 일반적인 규칙인 "시간-번역 대칭"을 자발적으로 깨뜨린 최초의 물체이기는 합니다.열역학에서 시간 결정의 엔트로피는 계의 무질서한 척도로 이해되며, 시간이 지남에 따라 일정하게 유지되며, 감소하지 않음으로써 열역학 제2법칙을 약간 만족시킵니다.[19][20]

역사

노벨상 수상자인 프랭크 윌첵 파리 새클레이 대학 교수

양자화된 시간 결정에 대한 아이디어는 노벨상 수상자이자 MIT의 교수인 [21][22]프랭크 윌첵에 의해 2012년에 이론화되었습니다.2013년, 캘리포니아 대학교 버클리의 나노 엔지니어인 Xiang Zhang과 그의 팀은 끊임없이 회전하는 전하 이온 고리 형태의 시간 결정을 만들 것을 제안했습니다.[23][24]

Wilczek과 Zhang에 대한 반응으로 Patrick Bruno(유럽 싱크로트론 방사 시설)와 Masaki Oshikawa(도쿄 대학교)는 시공간 결정이 불가능하다는 몇 가지 기사를 발표했습니다.[25][26]

그 후의 연구는 시간 번역 대칭 파괴에 대한 더 정확한 정의를 발전시켰고, 궁극적으로 평형에 있는 양자 시공간 결정은 불가능하다는 와타나베-오시카와 "노고" 진술로 이어졌습니다.[27][28]이후의 연구는 와타나베와 오시카와의 범위를 제한했는데, 엄밀하게 말하면, 그들은 공간과 시간 모두에서 장황한 질서가 평형에서는 가능하지 않지만, 시간 번역 대칭의 깨짐만이 여전히 가능하다는 것을 보여주었습니다.[29][30][31]

평형 불고 논쟁을 피하는 몇 가지 시간 결정 실현이 나중에 제안되었습니다.[32]2014년 크라쿠프에 있는 야기엘로니안 대학교의 크르지슈토프 사카는 주기적으로 구동되는 계에서 "극한의 원자 구름이 진동하는 거울 위에서 튕겨 나가는" 이산 시간 결정의 거동을 예측했습니다.[33][34]

2016년 프린스턴과 샌타바버라의 연구 그룹은 주기적으로 움직이는 양자 스핀 시스템이 유사한 행동을 보일 수 있다고 독립적으로 제안했습니다.[35]또한 2016년 버클리의 노먼 야오와 동료들은 스핀 시스템에서 이산 시간 결정을 만드는 다른 방법을 제안했습니다.[36]이 아이디어들은 성공적이었고 독립적으로 두 실험 팀에 의해 실현되었습니다: 하버드의 미하일 루킨이[37] 이끄는 그룹과 메릴랜드 대학의 크리스토퍼 먼로가 이끄는 그룹.[38]두 실험 모두 2017년 3월 네이처 같은 호에 게재됐습니다.

나중에, 분산형 시간 결정이라고 불리는 개방형 시스템의 시간 결정이 이산형 및 연속형[43][44] 시간-번역 대칭을 깨는 여러 플랫폼에서 제안되었습니다.소멸성 시간 결정은 2021년 함부르크 대학교 레이저 물리학 연구소의 안드레아스 헤머리치(Andreas Hemmerich) 그룹에 의해 처음으로 실험적으로 실현되었습니다.[45]연구자들은 분산 광학 공동에 강하게 결합된 보스-아인슈타인 응축수를 사용했으며 시간 결정은 두 원자 밀도 패턴 사이를 주기적으로 전환함으로써 이산 시간 번역 대칭을 자발적으로 깨뜨리는 것으로 입증되었습니다.[45][46][47]ETH 취리히의 틸만 에슬링거 그룹의 초기 실험에서는 2019년에 한계 주기 역학이[48] 관찰되었지만 섭동에 대한 강건성의 증거와 시간 번역 대칭 깨짐의 자발적 특성은 다루지 않았습니다.[49]

2019년 물리학자 발레리 코진과 올렉산드르 키리엔코는 이론적으로 계가 특이한 장거리 다중입자 상호작용을 포함할 경우 영구적인 양자 시간 결정이 고립계로 존재할 수 있음을 증명했습니다.원래의 "노고" 논법은 일부 α > 0에 대해 r만큼−α 빨리 붕괴하는 전형적인 단거리 장들의 존재에서만 유지됩니다. 코진과 키리엔코는 대신 장거리 멀티 스핀 상호 작용을 가진 스핀-1/2 다체 해밀턴을 분석했고 그것이 연속적인 시간-번역 대칭을 깨뜨렸다는 것을 보여주었습니다.시스템의 특정 스핀 상관 관계는 시스템이 닫히고 접지 에너지 상태임에도 불구하고 시간에 따라 진동합니다.그러나 실제로 그러한 시스템을 시연하는 것은 매우 어려울 수 있으며,[50][51] 모델의 장기적인 특성에 대한 물리적인 우려가 제기되고 있습니다.[52]

2022년, 한스 케 ß러와 안드레아스 헤메리히가 감독한 함부르크 연구팀은 연속 시간-번역 대칭의 자발적인 파괴를 보여주는 연속 소멸 시간 결정을 처음으로 증명했습니다.

실험

2016년 10월, Maryland 대학의 Christopher Monroe는 세계 최초의 이산 시간 결정을 만들었다고 주장했습니다.Yao 등이 제안한 아이디어를 사용하여 [36]그의 팀은 무선 주파수 전자기장에 의해 제한된 폴 트랩에 Ybion+ 사슬을 가두었습니다.두 스핀 상태 중 하나가 한 쌍의 레이저 빔에 의해 선택되었습니다.레이저는 잘못된 광 주파수에서 너무 많은 에너지를 피하기 위해 Tukey 창을 사용하여 음향 광학 변조기에 의해 펄스의 형태를 제어했습니다.해당 설정에서 극세 전자 상태인 SF = 0, m = 0 ⟩ 및 F = 1, m = 0 ⟩는 12.642831GHz로 분리된 매우 가까운 에너지 수준을 가지고 있습니다.도플러 냉각된 이온 10개를 0.025 mm 길이의 일렬로 배치하여 함께 결합하였습니다.

연구원들은 드라이브의 서브하모닉 진동을 관찰했습니다.실험 결과, 시간 결정이 교란되어도 진동 주파수가 변하지 않는 시간 결정의 "강성"과, (구동의 주파수만이 아닌) 자체의 주파수를 얻어 그에 따라 진동하는 것을 확인할 수 있었습니다.그러나 일단 진동의 섭동이나 진동수가 너무 강해지면, 시간 결정은 "녹아서" 이 서브하모닉 진동을 잃었고, 그것은 유도된 주파수로만 움직이던 이전과 같은 상태로 돌아갔습니다.[38]

또한 2016년에 하버드 대학의 미하일 루킨(Mikhail Lukin)은 구동 시간 결정의 생성을 보고했습니다.그의 그룹은 강한 쌍극자-쌍극자 결합과 상대적으로 긴 수명의 스핀 일관성을 가진 고농도의 질소-공백 중심이 도핑된 다이아몬드 결정을 사용했습니다.이 강한 상호작용을 하는 쌍극자 스핀 시스템은 마이크로파 장으로 구동되었고 앙상블 스핀 상태는 광학(레이저) 장으로 결정되었습니다.스핀 분극은 마이크로파 드라이브의 절반 주파수에서 진화한 것으로 관찰되었습니다.진동은 100회 이상 지속되었습니다.드라이브 주파수에 대한 이러한 서브하모닉 반응은 시간 결정적인 순서의 신호로 볼 수 있습니다.[37]

2018년 5월, 알토 대학교의 한 연구팀은 절대영도(0.0001 K)에서 1만 분의 1 켈빈 이내로 냉각된 헬륨-3 초유체에서 시간 준결정의 형성과 연속적인 시간 결정으로의 상전이를 관찰했다고 보고했습니다.[57] 2020년 8월 17일, 네이처 머티리얼즈는 두 시간 결정 사이의 상호작용과 구성 입자의 흐름을 처음으로 관찰할 수 있었다는 같은 그룹의 편지를 발표했습니다.

2021년 2월, 맥스 플랑크 지능 시스템 연구소의 한 팀은 마그논으로 구성된 시간 결정의 생성을 설명하고 스캔 전송 X선 현미경으로 이를 조사하여 이러한 유형의 최초로 알려진 비디오 기록에서 반복되는 주기적인 자화 구조를 포착했습니다.[59][60]

2021년 7월, 함부르크 대학교 레이저 물리학 연구소의 안드레아스 헤머리치(Andreas Hemmerich)가 이끄는 팀은 광학 공동에 결합된 극저온 원자를 사용하여 소위 소멸성 시간 결정을 개방형 시스템에서 최초로 실현했다고 발표했습니다.이 작업의 주요 성과는 실제로 시스템의 역동성을 안정화하는 데 도움이 되는 효과적인 분산 응용입니다.[45][46][47]

2021년 11월, 구글과 여러 대학의 물리학자들이 공동으로 양자 컴퓨팅 장치인 구글의 시카모어 프로세서에서 이산 시간 결정을 관찰했다고 보고했습니다.20 큐비트의 칩을 사용하여 위쪽 및 아래쪽 스핀의 다체 국소화 구성을 얻은 다음 레이저로 자극하여 모든 위쪽 스핀이 레이저 주파수의 배수인 주기적 사이클에서 아래쪽 및 반대쪽으로 플립되는 주기적 구동 "플로켓" 시스템을 달성했습니다.필요한 환경 조건을 유지하기 위해 레이저가 필요하지만 레이저로부터 에너지가 흡수되지 않으므로 시스템은 보호된 고유 상태 순서로 유지됩니다.[20][61]

2021년 6월과 11월 이전에 다른 팀들은 구글 실험과 유사한 원리로 플로케 시스템을 기반으로 가상 시간 결정을 얻었지만 양자 프로세서보다는 양자 시뮬레이터를 기반으로 했습니다. 메릴랜드 대학의 한 그룹은 먼저 고주파 구동 래스를 사용하여 갇힌 이온 큐비트에 대한 시간 결정을 얻었습니다.다체 국소화보다[62][63] 그리고 나서 네덜란드의 TU Delft와 TNO의 공동 작업인 Quetech는 탄소-13 질소-공백(NV) 중심의 핵 스핀으로부터 더 긴 시간과 더 적은 큐비트를 얻으면서 시간 결정을 만들어 냈습니다.[64][65]

2022년 2월, UC 리버사이드의 한 과학자는 2021년 7월의 시스템과 유사하지만 모든 광학적인 시간 결정을 보고했으며, 이로 인해 과학자들은 실온에서 시간 결정을 작동시킬 수 있었습니다.본 실험에서는 마이크로 공진기 내부에서 특정 주파수로 레이저를 유도하기 위해 주입 잠금을 사용하여 서브하모닉 주파수에서 솔리톤을 위한 격자 트랩을 생성하였습니다.[66][67]

2022년 3월, 멜버른 대학의 두 물리학자가 시간 결정을 연구하는 새로운 실험을 수행했으며, 이번에는 IBM의 맨해튼 및 브루클린 양자 프로세서를 사용하여 총 57큐비트를 관찰했습니다.[68][69][70]

2022년 6월, 함부르크 대학교의 레이저 물리학 연구소에서 한스 케 ß러와 안드레아스 헤메리히의 감독 하에 연속적인 시간 결정의 관측이 보고되었습니다.주기적으로 구동되는 시스템에서 시간 변환 대칭은 드라이브로 인해 이산 시간 변환 대칭으로 분해됩니다.이산 시간 결정은 드라이브 주파수의 배수로 진동함으로써 이산 시간 변환 대칭을 깨뜨립니다.새로운 실험에서는 드라이브(펌프 레이저)를 연속적으로 작동시켜 연속적인 시간 병진 대칭성을 존중했습니다.서브하모닉 응답 대신, 시스템은 연속 시간 변환 대칭의 자발적인 깨짐이 예상되는 것처럼 고유 주파수와 0과 2 π 사이의 임의의 값을 취하는 시간 위상을 갖는 진동을 보여주었습니다.또한 관측된 한계 주기 진동은 양자 잡음과 같은 기술적 또는 기본적인 특성의 섭동과 시스템의 개방성으로 인해 분산과 관련된 변동에 대해 강력한 것으로 나타났습니다.이 시스템은 광학 캐비티에 있는 보스-아인슈타인 응축수로 구성되었으며, 광학 캐비티는 캐비티 축에 대해 수직으로 배향된 광학적 정상파로 펌핑되었으며 진동하는 두 개의 쌍안정 접지 상태에서 국부화되는 초방사 위상에 있었습니다.[53][54][55][56]

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