Ученые хотели бы знать, что послужило причиной для возникновения нашей Вселенной около 14 миллиардов лет назад. Как за счет нарушения симметрии были созданы материя, и следовательно, звезды и галактики? Большой Взрыв, к сожалению, или счастью, является экспериментом, который не может быть повторен. Но принцип симметрии и его нарушение определенно может быть исследован в контролируемых лабораторных условиях.
Для этого ученые из объединения QUEST в Физико-технический институте использовали лазерное охлаждение ионов в так называемых «ионных кристаллах Кулона". Они смогли показать, как симметрия может быть получена контролируемым образом и как можно наблюдать возникновение нарушения симметрии. Понимание этих так называемых "топографических дефектов» в рамках хорошо управляемой системы открывает новые возможности, когда речь идет об исследованиях квантовых фазовых переходов и о подробном рассмотрении неравновесной динамики сложных систем. Результаты были опубликованы в последнем номере научного журнала Nature Communications.
В рамках международного сотрудничества с коллегами из Лос-Аламосской национальной лаборатории (США), из Университета Ульма (Германия) и из Еврейского университета (Израиль), исследователям в первый раз удалось показать топологические дефекты в атомно-оптическом эксперименте в лаборатории. Топологические дефекты, ошибки в пространственной структуре вызваны нарушением симметрии, когда частицы системы не могут взаимодействовать друг с другом. Они образуются при фазовом переходе и представляют из себя некие несовпадающие области. Для их создания ученые использовали свойства симметрии "ионных кристаллов Кулона".
Экспериментальная задача для исследователей состояла в том, чтобы управлять сложной мультичастичной системой и индуцировать преднамеренное изменение внешних условий для получения симметрии. Это было достигнуто посредством ионов иттербия, которые попали в так называемую "ионную радиочастотную ловушку" в сверхвысоком вакууме и были охлаждены до нескольких милликельвинов с помощью лазерного света. Захваченные положительно заряженные частицы отталкивались друг от друга внутри ловушки, и в таких сверхнизких температурах принимали кристаллическую структуру.
Если параметры ловушки частиц быстрее, чем скорость звука в кристалле, то топологические дефекты возникают в то время, когда ионы ищут новое состояние равновесия в кристалле. Устойчивость этих эффектов исследована и оптимизирована с помощью численного моделирования, что обеспечило идеальную систему для исследования физических свойств нарушения симметрии переходов с высокой чувствительностью. Таким образом, спонтанная переориентация кристалла следует тем же правилам, что и описывают раннюю Вселенную в момент после Большого взрыва.
Работа исследователей тесно связан с так называемым механизмом Киббла-Журека, описанным Томом Кибблом и Войцехом Журеком. Их теория была основана на предположениях о топологических дефектах в ранней Вселенной: через доли секунды после Большого взрыва произошло нарушение симметрии, и молодая Вселенная должна была «решить», какой статус принять. Везде, где отдельные участки Вселенной не могли воздействовать друг на друга, возникли топологические дефекты. Но механизм Киббла-Журека также позволяет статистические вариации возникновения дефектов при фазовых переходах в целом. Благодаря своей универсальности, эта теория применима ко многим областям физики, таким как, например, наблюдение за переходом металлов в сверхпроводники, или переход от ферромагнитного в парамагнитное состояние в системах.
Международная группа исследователей показала, что возникновение топологических дефектов зависит от скорости, с которой происходят изменения. Похожие эксперименты, которые проводились одновременно в Университете Иоганна Гутенберга Майнца (JGU) привели к аналогичным результатам.
Новая система продемонстрировала, что возможно дальнейшее проведение экспериментов по фазовым переходам в классических системах и в квантовой вселенной, а также тесты в области нелинейной физики (например, солитонов), которые будут проводить в сравнительно хорошо контролируемой системе. Физики подошли на один шаг ближе к объяснению причинно-следственных связей в природе.
На картинке:
Ионы иттербия в ионных кристаллах Кулона, снятые с электронного умножителя. Ионизированные атомы флуоресцируют в лазерное излучение, расстояние между ионами приблизительно от 10 мкм до 20 мкм.
( а) радиальная симметрия : ионизированные атомы выстраиваются на корпуса ловушки как нитка жемчуга .
(б ) Зеркало симметрии : если энергия частицы изменяется, ионы избегают друг друга , и кристалл принимает новую , энергетически более выгодную структуру. Области, которые не соприкасаются друг с другом, независимо друг от друга переходят на новую ориентацию. Топологические дефекты возникают там, где две области, которые сформировали различные «решения» , сталкиваются. Черно-белые изображения показывают флуоресцирующие ионы иттербия.
| 
