Las estructuras conocidas como 'cristales de tiempo', que se repiten en el tiempo como los cristales convencionales se repiten en el espacio, han capturado recientemente el interés y la imaginación de los investigadores en todas las disciplinas. El concepto surgió del contexto de los sistemas cuánticos de muchos cuerpos, peroLos físicos ahora han desarrollado un marco versátil que aclara las conexiones con obras clásicas que datan de casi dos siglos, proporcionando así una plataforma unificadora para explorar fenómenos aparentemente diferentes.
En un cristal, los átomos están altamente ordenados, ocupando ubicaciones bien definidas que forman patrones espaciales. Hace siete años, el premio Nobel de Física 2004 Frank Wilczek reflexionó sobre la posibilidad de un "análogo de tiempo de orden espacial cristalino" - sistemas que muestranmodulaciones temporales periódicas sostenidas en su estado de energía más baja. El concepto de tales estructuras con un estado fundamental oscilante es muy intrigante. Por desgracia, no mucho después de la publicación de la idea, se demostró que tales cristales de tiempo no son posibles sin romper las leyes fundamentalesde la física. Sin embargo, no todo se perdió. El trabajo posterior de la teoría sugirió que cuando los sistemas cuánticos de muchos cuerpos son impulsados periódicamente, entonces surgen nuevas correlaciones de tiempo persistentes que evocan los cristales de tiempo de Wilczek. Estos sistemas impulsados fueron denominados "cristales de tiempo discreto".y en 2017, las primeras realizaciones experimentales de tales estados se informaron en conjuntos de partículas acopladas iones, electrones y núcleos que muestran quanpropiedades tumomecánicas.
Una historia no tan breve de cristales de tiempo
En poco tiempo, los observadores astutos detectaron distintas similitudes entre los cristales de tiempo discreto en los sistemas cuánticos y los llamados resonadores paramétricos, un concepto en física clásica que Michael Faraday volvió al trabajo en 1831. Sin embargo, la conexión entre estos dos cuerpos de trabajo se mantuvo, opaco. Ahora, un nuevo marco recorre un largo camino para eliminar las ambigüedades que rodean las similitudes entre los sistemas clásicos y cuánticos controlados periódicamente. Escrito en un artículo publicado hoy en la revista Cartas de revisión física , Toni Heugel, estudiante de doctorado en el Departamento de Física de ETH Zurich, y Matthias Oscity, estudiante de maestría allí, trabajando con el Dr. Ramasubramanian Chitra y el Prof. Oded Zilberberg forman el Instituto de Física Teórica y con el Dr. Alexander Eichlerdel Laboratorio de Física del Estado Sólido, informe el trabajo teórico y experimental que establece cómo se pueden generar cristales de tiempo discretos que, por un lado, no requieren efectos mecánicos cuánticos y, por otro lado, muestran efectos genuinos de muchos cuerpos, que esuna característica de cristales de tiempo discreto reportados en sistemas cuánticos
Muchas formas de frecuencias subarmónicas
Existe una similitud obvia entre los resonadores paramétricos clásicos y los cristales de tiempo discreto realizados experimentalmente en sistemas cuánticos de muchos cuerpos: ambos muestran dinámicas emergentes en frecuencias que son fracciones de la frecuencia de accionamiento. En el contexto de cristales de tiempo discreto, la aparición de oscilacionesen tales frecuencias subarmónicas se rompe la periodicidad temporal del sistema impulsado, proporcionando una forma de "tiempo análogo" al orden espacial cristalino, donde se rompe la simetría del espacio. En los sistemas controlados paramétricamente clásicos, las frecuencias subarmónicas aparecen de formas más familiares: un niñoen un columpio, por ejemplo, modifica el centro de gravedad al doble de la frecuencia de la oscilación resultante; o la cola de caballo de un corredor oscila a la mitad de la frecuencia del movimiento vertical de la cabeza.
¿Pero estos fenómenos distintos tienen algo que ver entre sí? Sí, dicen los físicos de la ETH. En particular, señalan dónde aparecen los aspectos de muchos cuerpos en los sistemas clásicos. Para ello, consideraron osciladores no lineales clásicos con acoplamiento ajustable entreellos.
Marco unificador para sistemas clásicos y cuánticos controlados periódicamente
Es bien sabido que para ciertas frecuencias y fuerzas de conducción, los osciladores paramétricos se vuelven inestables y luego se someten a la llamada bifurcación de duplicación de períodos, más allá de la cual oscilan a la mitad de su frecuencia de conducción. Heugel, Oscity y sus colegas exploran lo que sucede a medida que avanzan.varios osciladores de este tipo están acoplados entre sí. En los cálculos y en los experimentos, utilizando dos cuerdas con acoplamiento variable entre ellos, encuentran dos regímenes distintos. Cuando el acoplamiento es fuerte, el sistema de dos cuerdas se mueve colectivamente, recreando en esencia elmovimientos del niño en un columpio o en la cola de caballo de un corredor. Sin embargo, en el caso de un acoplamiento débil entre las cuerdas, la dinámica de cada cuerda es similar a la que muestra el sistema desacoplado. Como consecuencia, los osciladores acoplados nobifurca colectivamente pero bifurca individualmente en parámetros ligeramente diferentes del variador, lo que lleva a una dinámica general más rica, que se vuelve cada vez más compleja a medida que los sistemas se vuelven lArger.
Los investigadores de ETH argumentan que tales modos débilmente acoplados son similares a los que emergen en los sistemas cuánticos de muchos cuerpos, lo que implica que su marco podría explicar los comportamientos observados experimentalmente en estos sistemas. Además, el nuevo trabajo prescribe condiciones generales para generarcristales clásicos de tiempo de muchos cuerpos. Estos podrían ser utilizados para interpretar y explorar características de sus contrapartes cuánticas.
Tomados en conjunto, estos hallazgos, por lo tanto, proporcionan un marco unificador poderoso para sistemas clásicos y cuánticos controlados periódicamente que muestran dinámicas en frecuencias subarmónicas emergentes, sistemas que hasta ahora se han descrito en contextos muy diferentes, pero que podrían no ser tan diferentes después de todo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Departamento de Física de Zurich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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