ビニール レコードのように、タイム クリスタルという奇妙な概念が流行に戻りつつあります。 2012 年に、ノーベル賞を受賞した物理学者が、エネルギーを追加しなくても、結晶の原子のパターンが空間で繰り返されるのと同じように、量子粒子のシステムの特性が時間の経過とともに循環する可能性があることを提案しました。しかし、そのようなことは不可能であるという「ノーゴー定理」をすぐに証明した研究者もおり、その代わりにタイム クリスタルのあまり幻想的でない定義を採用したのです。しかし今、2 人の物理学者が、タイム クリスタルの本来の概念が、少なくとも理論上は可能であることを示しました。
マサチューセッツ工科大学 (ケンブリッジ) の理論物理学者で、時間結晶を思いついたが、新しい研究には関わっていない Frank Wilczek は、「それは正しいと思います」と言う。新しいスキームは、「『ノーゴー』を回避する 1 つの方法」です。しかし、このシステムを実験的に実現することは非常に難しいかもしれないと、他の物理学者は言います。
物理学では、パターンはどこからともなく発生する可能性があります。たとえば、結晶性固体では、原子間の力は、原子の位置や原子間の距離を明示的に指定しません。しかし、原子を冷却して基底状態にすると、市松模様の正方形のような繰り返しパターンに寄り添います。
Wilczek は、同様の物理学を通じて、空間ではなく時間的に何らかの測定可能な方法で繰り返される基底状態をシステムが持つことができるかどうか疑問に思いました。 2012 年、このテーマに関する彼の 2 つの論文は、研究の嵐を巻き起こしました。しかし、2015 年に理論物理学者の渡辺春樹と押川正樹 (現在はともに東京大学) は、厳密に言えば、タイム クリスタルは不可能であることを証明しました。彼らは、いわゆる熱力学的平衡にある孤立系の最低エネルギー状態は静的でなければならないことを示した.
しかし、他の研究者はウィルチェクのアイデアを拡張し、子供がブランコに押し付けられるように、エネルギーを繰り返し刺激されるシステムが、離散時間クリスタルと名付けた新しい動作を示す可能性があることを明らかにしました。このような周期的に攪拌されるシステムは、多くの場合、外部刺激の周波数の倍数である周波数で振動します。しかし、代わりに、システム内の相互作用は、親が押す周波数の半分で奇妙なスイングをする子供のように、外部周波数の半分で応答する可能性があると研究者は予測しました.
その効果は現実の世界で見られました。たとえば、2017 年に、メリーランド大学カレッジ パーク校の実験物理学者であるクリストファー モンローとその同僚たちは、10 個の回転するルビジウム イオンが鎖状に配置された離散時間結晶を作成しました。磁気相互作用により、イオンは反対方向に向かおうとする傾向があり、ノイズがそれらをランダムに押しのけます。しかし、マイクロ波のパルスでイオンを突き刺すことで、研究者はスピンのパターンを固定し、パルスのちょうど半分の速度で反転させることができた.
現在、レイキャビクにあるアイスランド大学の理論物理学者 Valerii Kozin とイギリスのエクセター大学の Oleksandr Kyriienko は、少なくとも理論的には、Wilczek の当初のアイデアに近いシステムを構築できることを証明しました。それを行うために、彼らは渡辺と押川のノーゴー定理の前提の 1 つを投げ捨てます。この定理は、電気力と磁力の場合のように、粒子間の相互作用の強さが距離とともに減衰するという仮定に基づいています。対照的に、Kozin と Kyriienko は、モンローのイオンのように、距離によって減衰しない方法で相互作用する回転する粒子の場合を理論的に分析します。これは理論的には可能なことです。
このような長距離相互作用により、システムは追加のエネルギーを必要としないタイムクリスタル基底状態を持つことができる、と研究者は Physical Review Letters で報告しています。 . 「私たちが示しているのは抜け穴であり、反例ではありません」と、Kyriienko は言います。
仮定された時間結晶状態は信じられないほど複雑です。量子力学のおかげで、各イオンは同時に上下にスピンすることができ、時間結晶はすべての粒子が同時に上下にスピンする状態に似ていますが、はるかに複雑です。タイム クリスタルの特徴は微妙であり、測定するのは困難です。システムが最もエネルギーの少ない状態で乱されていない場合でも、上向きまたは下向きのスピン数の特定の相関関係が時間とともに振動します。
システムに長距離相互作用がある場合、理論物理学における他の岩盤の結果は窓の外に出てしまうため、結果は衝撃的ではないと渡辺氏は言います。 「長距離システムでこの種の振る舞いをしても、私はあまり驚かないでしょう」と彼は言います。 「それでも、具体的で単純な例があるのはいいことです。」
システムは実験的に実現できますか？キリエンコは希望を持っていると言います。 「それは可能であるべきですが、それは挑戦的な測定です。」モンローはあまり楽観的ではありません。 Kozin と Kyriienko が彼らのモデルで仮定している長距離相互作用は、トラップ内のイオン間で働いている相互作用よりもはるかに複雑である、と Monroe は言う。 「実際には、そのような相互作用を可能にする物理システムはないと思います」とモンローは言います。 「しかし、私たちは驚くかもしれません。それが科学の素晴らしいところです。」
