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 Единственная генетическая замена в иммунном белке сделала человека более уязвимым к раку по сравнению с приматами. Эта мутация позволила опухолям отключать важный механизм защиты иммунной системы, что объяснило неэффективность некоторых видов иммунотерапии. Зная это, получится сделать лечение солидных опухолей эффективнее.
Сегодня в России для выработки электроэнергии эксплуатируется более 300 газотурбинных электростанций. Такие станции, например, как ГТЭС-25П, при сжигании ископаемого топлива выделяют колоссальное количество углекислого газа. Его повышенные концентрации в атмосфере вызывают парниковый эффект и приводят к глобальному потеплению. Ежегодные выбросы одной такой электростанции составляют 1,3 миллионов тонн, а суммарно по стране — почти 400. Поэтому остро стоит вопрос внедрения новых мероприятий и технологий для решения этой проблемы. Ученые Пермского Политеха предложили перспективный способ снижения углеродного следа при эксплуатации газотурбинных электростанций. Подход позволит на 45% сократить вредные выбросы и в тоже время получить полезный химический продукт — диметиловый эфир.
Ученые ТУСУР разработали уникальную систему, которая позволяет точно определять расстояние до объектов сквозь туман, дым и даже под водой. Эта технология, уже запатентованная исследователями, может стать основой для систем навигации беспилотников, помощи водителям в сложных погодных условиях и даже использоваться спасателями при тушении пожаров. В отличие от существующих аналогов, новая система обеспечивает высокую детализацию и скорость построения карты глубин даже при плохой видимости.
Результаты эксперимента в США в будущем могут позволить добиться разрешения на использование отработанной конопли в качестве кормовой добавки в животноводстве.
Исследование НовГУ показало, что атлетическая гимнастика — один из самых эффективных способов борьбы с ожирением, в отличие, например, от бега. Тренировки с отягощениями не только помогают сжечь жир, но и укреплять мышцы, при этом щадя суставы и сердечно-сосудистую систему. Назван и оптимальный комплекс упражнений для таких людей: три силовые тренировки в неделю по 40–90 минут.
Новое исследование показало, что учащиеся вузов с более выраженными чертами нарциссизма, макиавеллизма, психопатии, а также материализма могут быть сильнее предрасположены к академическому обману и злоупотреблению нейросетями при выполнении учебных заданий.
Радиотелескопы уловили очень короткий сигнал, и по его характеристикам стало ясно, что он не может быть естественного происхождения. Астрономы пришли к выводу, что источник находился в околоземном пространстве — там, где уже более полувека летает «мертвый» аппарат NASA.
Группа российских ученых из Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН и МФТИ провела детальное численное исследование источников шума, генерируемых крылом прототипа сверхзвукового бизнес-джета в режиме посадки. Эта работа, сочетающая передовые методы вычислительной гидродинамики и аэроакустики, впервые позволила с высокой точностью локализовать и охарактеризовать основные зоны шумообразования вблизи полноразмерной геометрии крыла модели прототипа сверхзвукового пассажирского самолета в посадочной конфигурации.
Результаты эксперимента в США в будущем могут позволить добиться разрешения на использование отработанной конопли в качестве кормовой добавки в животноводстве.
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