Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Физики выяснили, что шум может управлять фазовыми переходами
Ученые из МФТИ, ВНИИА и ИТПЭ РАН разработали теоретическую модель, демонстрирующую неожиданную роль теплового шума в поведении сложных квантовых систем. Их исследование показывает, что шум, обычно ухудшающий свойства системы, способен вызывать спонтанные переходы между состояниями с различной симметрией в специально спроектированной оптомеханической системе. Это открытие не только меняет взгляд на роль тепловых шумов в физике, но и демонстрирует новые возможности в изучении кинетики фазовых переходов, связанных с нарушением так называемой PT-симметрии.
Работа опубликована в журнале Physical Review A и выполнена при поддержке Российского научного фонда.
Явление спонтанного нарушения симметрии является одним из краеугольных камней современной физики, проявляясь в самых разных областях – от физики элементарных частиц, где оно дает представление о массе некоторых частиц, до физики конденсированного состояния, где оно лежит в основе фазовых переходов, например, превращения воды в лед или изменения свойств магнетиков. Суть его в том, что система, под воздействием внешних факторов может самопроизвольно перейти из симметричного состояния в состояние с более низкой симметрией В качестве примера такой системы обычно приводят сбалансированный карандаш, стоящий на острие: его положение симметрично, но любое малейшее возмущение заставит его упасть в одном из множества возможных, но уже не симметричных направлений.
В последние годы активно исследуются так называемые неэрмитовы системы, в частности, системы с PT-симметрией (пространственно-временной четностью). В таких системах, несмотря на наличие процессов усиления (притока энергии) и потерь (оттока энергии), при определенных условиях могут сохраняться незатухающие и не нарастающие колебания. Ключевую роль в PT-симметричных системах играют так называемые особые точки. Это значения параметров системы, в которых происходит качественное изменение ее поведения: собственные состояния системы сливаются, и при прохождении через особую точку симметрия системы нарушается.
Оптомеханические системы, где свет взаимодействует с механическими колебаниями, уникальны тем, что спонтанное нарушение PT-симметрии осуществляется до особой точки . До сих пор считалось, что тепловой шум, то есть случайные флуктуации, неизбежно присутствующие в любой реальной системе, в основном мешают наблюдению тонких эффектов, связанных с PT-симметрией и особыми точками.
Коллектив российских физиков-теоретиков поставил перед собой цель исследовать, может ли шум играть конструктивную роль в динамике оптомеханической системы вблизи особой точки. Они рассмотрели модель, состоящую из двух взаимодействующих оптических мод (колебаний электромагнитного поля) и одной фононной моды (механических колебаний), причем система накачивалась внешним лазерным излучением. Математически поведение такой системы описывается набором уравнений Гайзенберга-Ланжевена, учитывающих как когерентную динамику, так и процессы релаксации и воздействия теплового шума на фононную моду.
Исследователи обнаружили, что при определенных параметрах системы, а именно ниже особой точки, могут сосуществовать два устойчивых состояния: одно PT-симметричное, а другое – с нарушенной PT-симметрией (не-PT-симметричное). В PT-симметричном состоянии интенсивности второй оптической моды и фононной моды равны друг другу. В не-PT-симметричном состоянии, напротив, интенсивность фононных колебаний значительно превышает интенсивность оптических.
Самый важный и неожиданный результат работы заключается в том, что тепловой шум, действующий на фононную моду, способен вызывать случайные переходы между этими двумя состояниями. Система, подобно флюгеру под порывами ветра, спонтанно «перепрыгивает» из PT-симметричной фазы в не-PT-симметричную и обратно. Эти переходы, вызванные шумом, сопровождаются резкими изменениями в интенсивностях фотонных и фононных мод. Интенсивность этих случайных переключений, как показали численные симуляции, проведенные методом Хьюна, зависит от интенсивности самого шума, то есть от температуры системы.
Мухамедянов Артем, аспирант МФТИ, младший научный сотрудник ВНИИА им. Духова: «Когда нам удалось предсказать наличие области бистабильности в оптомеханической системе, то назрел вопрос о возможных переходах между двумя стабильными состояниями. В дальнейшем мы поняли, что в системе с особой точкой одно из стабильных состояний PT-симметричное, а другое состояние несимметричное. Нам удалось доказать, что теплового шума достаточно для случайных фазовых переходов между симметричным и несимметричным состояниями. Полученные результаты открывают нам путь для дальнейшего изучения влияния теплового шума на оптомеханические системы. Нам удалось продемонстрировать, что шум может не только мешать наблюдению, но и рождать новые эффекты».
Новизна предложенного подхода заключается в демонстрации ключевой роли шума в динамике PT-симметричных систем. Если ранее шум рассматривался преимущественно как фактор, затрудняющий наблюдение за переходами через особую точку и создающий сложности для разработки сенсоров на их основе, то данная работа показывает, что шум сам может быть параметром, управляющим переходами между состояниями с разной симметрией.
Результаты исследования имеют важное значение для фундаментальной физики, поскольку предлагают новый механизм для изучения кинетики фазовых переходов, вызванных спонтанным нарушением PT-симметрии. Понимание того, как шум влияет на такие системы, может быть использовано для разработки новых типов сенсоров или переключателей, чья работа основана на чувствительности к изменениям температуры (поскольку интенсивность теплового шума напрямую зависит от нее). Кроме того, работа углубляет понимание динамики открытых квантовых систем и неэрмитовой физики в целом.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на изучение влияния различных типов шума, исследование более сложных конфигураций систем, а также на поиск способов контроля этих шумоиндуцированных переходов.
Telegram 
Дзен 
VK Экспедиционное судно «Эндьюранс» более века называли самым прочным деревянным судном, когда-либо построенным человеком. Но находка, сделанная на дне моря, и изучение старых писем раскрыли неприятную правду. Легендарный «Эндьюранс» Шеклтона вовсе не был непобедимым левиафаном. Напротив, он имел фатальные недостатки, а капитан знал об этом еще до того, как ушел в роковое плавание к берегам Антарктиды.
По данным издания Gazeta.Ru, вопреки предрассудкам о студентах и подростках, наиболее активные потребители «быстрой» лапши — люди в возрасте 30–44 лет, представители трудоспособного возраста с высшим образованием. Согласно источникам World Instant Noodles Association (WINA), в год продается около 2,2 миллиарда порций, что делает Россию лидером по объему потребления в Европе и 12-й в мире. Из-за быстрого ритма жизни и простоты приготовления потребители закрывают глаза на их потенциальный вред. Ученые Пермского Политеха рассказали, почему такая пища представляет опасность даже без «химических» приправ, кому особенно стоит избегать встречи с этим продуктом и на что следует обращать внимание при изучении состава.
В 1970-х американские астронавты привезли с Луны сотни килограммов образцов, часть из которых поместили в инертный газ на хранение вплоть до появления новых геохимических методов исследования. Теперь ученые извлекли один из образцов и нашли в нем аномалию по изотопам серы, вызывающую вопросы о прошлом земного спутника.
По общепринятой и незыблемой до сих пор версии, Уран и Нептун — ледяные гиганты: основную часть их массы составляют летучие вещества в особом состоянии «горячих льдов». Теперь у планетологов появилась альтернативная гипотеза: они подозревают, что никаких «горячих льдов» внутри них может не быть, а вместо этого есть крупные каменные ядра, окруженные легкой газовой оболочкой.
Экспедиционное судно «Эндьюранс» более века называли самым прочным деревянным судном, когда-либо построенным человеком. Но находка, сделанная на дне моря, и изучение старых писем раскрыли неприятную правду. Легендарный «Эндьюранс» Шеклтона вовсе не был непобедимым левиафаном. Напротив, он имел фатальные недостатки, а капитан знал об этом еще до того, как ушел в роковое плавание к берегам Антарктиды.
По данным издания Gazeta.Ru, вопреки предрассудкам о студентах и подростках, наиболее активные потребители «быстрой» лапши — люди в возрасте 30–44 лет, представители трудоспособного возраста с высшим образованием. Согласно источникам World Instant Noodles Association (WINA), в год продается около 2,2 миллиарда порций, что делает Россию лидером по объему потребления в Европе и 12-й в мире. Из-за быстрого ритма жизни и простоты приготовления потребители закрывают глаза на их потенциальный вред. Ученые Пермского Политеха рассказали, почему такая пища представляет опасность даже без «химических» приправ, кому особенно стоит избегать встречи с этим продуктом и на что следует обращать внимание при изучении состава.
Посадка, включая выгорание куска степи, прошла штатно, но часть грызунов на борту погибли. Правда, погубила их не повышенная космическая радиация полярной орбиты, влияние которой на млекопитающих планировали выявить в миссии, а более банальные причины.
Исследования самодержавия могут пролить свет на феномен, исконно свойственный российской государственности, а значит, переосмыслить исторический путь России и выработку новых направлений развития, к такому выводу пришел ученый ТюмГУ.
Третий известный межзвездный объект 3I/ATLAS летит примерно вдвое быстрее обоих своих предшественников. По расчетам, его вряд ли могло выбросить из родной планетной системы с подобной скоростью, и так разогнаться по пути он тоже не мог.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно