奇怪的翘曲几何有助于推动科学界限

研究人员在微芯片上构建了一个电子阵列,模拟双曲面中的粒子相互作用,这是一个几何表面,在这个几何表面中,空间在每个点都远离自身。

日常固体和液体中的原子相互作用是如此复杂,以至于这些材料的某些特性继续使物理学家无法理解。以数学方式解决这些问题超出了现代计算机的能力,普林斯顿大学的科学家们已经转向了一个不同寻常的几何分支。

由电子工程教授Andrew Houck领导的研究人员在微芯片上构建了一个电子阵列,模拟双曲面内的粒子相互作用,这是一个几何表面,在这个几何表面中,空间在每个点都远离自身。一个双曲线平面很难想象 - 艺术家MC Escher在他的许多弯曲的部分中使用了双曲线几何 - 但它非常适合回答关于粒子相互作用和其他具有挑战性的数学问题的问题。

研究小组使用超导电路创建了一个充当双曲线空间的晶格。当研究人员将光子引入晶格时,他们可以通过观察光子在模拟双曲空间中的相互作用来回答各种难题。

7月4日发表在“自然”杂志上的论文的高级作者侯克说:“你可以将粒子扔在一起,在它们之间进行非常有控制的互动,并看到复杂性的出现。”

普林斯顿复杂材料中心的博士后研究员AliciaKollár和该研究的主要作者表示,其目标是让研究人员解决关于量子相互作用的复杂问题,这些问题决定了原子和亚原子粒子的行为。

“问题在于,如果你想研究一种非常复杂的量子力学材料,那么计算机建模就非常困难。我们试图在硬件层面实现一个模型,以便大自然为你完成很难的计算, “Kollár说。

厘米大小的芯片用超导谐振器电路蚀刻,该电路为微波光子移动和相互作用提供路径。芯片上的谐振器以七边形或七边形多边形的格子图案排列。该结构存在于平面上,但模拟了双曲面的不寻常的几何形状。

“在正常的三维空间中,不存在双曲面,”侯克说。“这种材料使我们能够开始考虑在实验室环境中混合量子力学和弯曲空间。”

试图将三维球体强制到二维平面上表明球面上的空间小于平面上的空间。这就是为什么当在球形地球的平面地图上绘制时,国家的形状看起来很突出。相反,需要压缩双曲面以便适合平面。

“这是一个你可以在数学上写下来的空间,但它很难想象,因为它太大而不适合我们的空间,”Kollár解释道。

为了模拟将双曲面空间压缩到平面上的效果,研究人员使用了一种称为共面波导谐振器的特殊类型的谐振器。当微波光子通过这个谐振器时,无论它们的路径是直的还是蜿蜒的,它们的行为都是一样的。Kollár表示,谐振器的曲折结构可以灵活地“挤压和碾压”龙骨的两侧,形成平坦的平铺图案。

观察芯片的中心七边形类似于通过鱼眼摄像机镜头观察,其中视野边缘处的物体看起来比中心处的物体小 - 七边形看起来越小它们离中心越远。这种布置允许移动通过谐振器电路的微波光子表现得像双曲线空间中的粒子。

该芯片模拟弯曲空间的能力可以实现量子力学的新研究,包括黑洞周围翘曲时空中的能量和物质特性。该材料还可用于理解数学图论和通信网络中复杂的关系网。Kollár指出,这项研究最终可能有助于新材料的设计。

但首先,Kollár及其同事将需要进一步开发光子材料,既要继续检查其数学基础,又要引入能够使电路中的光子相互作用的元素。

“自己,微波光子不相互作用 - 它们直接通过,”Kollár说。该材料的大多数应用都需要“做一些事情来制造它,以便他们可以告诉那里有另一个光子。”

该研究得到了国家科学基金会的支持,包括材料研究部和多学科大学研究计划。

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。