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 Среди ныне живущих морских обитателей осталось всего несколько так называемых «живых» ископаемых вроде латимерии или мечехвоста. Остальных мы знаем по уцелевшим остаткам. Новый вид древней рыбы обнаружили палеонтологи в девонском песчанике Канадской Арктики. Судя по найденным зубам и челюстям, рыба была в разы меньше своих родственников, а значит, могла жить в реках, что необычно для этих существ.
В космосе иногда встречаются необычные галактики, в которых центральную часть окружает эффектное кольцо, полное звезд, газа и пыли. Ученые подозревают, что некоторые из кольцевых галактик становятся такими после столкновений. Чаще всего это происходит лишь с одним из двух участников подобной аварии. Недавно удалось найти необычный пример: одна галактика прошла сквозь другую так, что в результате образовались два почти одинаковых кольца. Их вид действительно напоминает совиные глаза.
Кости певчих дроздов, обнаруженные в выгребной яме древнеримского города Полленция на Майорке, указали на их широкое употребление в качестве повседневной уличной закуски. Открытие поставило под сомнение прежние представления о дроздах исключительно как о деликатесе, доступном лишь богатым римлянам.
Изучив поведение 69 видов птиц в разных областях Западных Гат (Индия), международная исследовательская группа наконец объяснила, почему территориальные и всеядные птицы чаще других поют по утрам.
Среди ныне живущих морских обитателей осталось всего несколько так называемых «живых» ископаемых вроде латимерии или мечехвоста. Остальных мы знаем по уцелевшим остаткам. Новый вид древней рыбы обнаружили палеонтологи в девонском песчанике Канадской Арктики. Судя по найденным зубам и челюстям, рыба была в разы меньше своих родственников, а значит, могла жить в реках, что необычно для этих существ.
Наблюдая ранние этапы рождения землеподобных миров, астрономы приблизились к решению «метрового барьера» — проблемы роста пылевых зерен до размеров, необходимых для формирования планет.
Вид антилоп, с ледникового периода привыкший к массовым миграциям, пытается вернуться в свой исторический ареал, когда-то достигавший Днепра. Однако их нетипичные для травоядных привычки вызывают сильнейшее отторжение у сельских жителей, предлагающих массово уничтожать их с воздуха. С экологической точки зрения возвращение этих животных весьма желательно, но как примирить их с фермерами — неясно.
Недавно вышел второй сезон сериала «Одни из нас» (TheLastofUs), созданного по сюжету популярнейшей видеоигры. Ученые Пермского Политеха решили разобраться, насколько реален сценарий грибной пандемии, превращающей людей зомби? Чем живет кордицепс и как он «ищет» своих жертв, действительно ли паразит способен эволюционировать настолько, чтобы поражать человеческий организм и подчинять себе его волю, был бы у людей шанс выжить, какие грибы уже поселились в наших телах и выручит ли нас иммунитет, сформированный тысячелетиями.
Казахстанский Алматы — город контрастов, где горы соседствуют с урбанистическими пейзажами, а бизнес-центры — с историческими кварталами. Неизменным остается одно — пробки. Ежедневно сюда приезжает более 700 тысяч автомобилей из пригородов, при этом в самом мегаполисе зарегистрировано порядка 600 тысяч транспортных средств. В результате по улицам ежедневно движется более миллиона транспортных средств.
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