A világon először figyelték meg, hogy két időkristály kölcsönhatásba lép egymással

Az időkristályok létezését, az anyag különösen érdekes állapotát csupán néhány évvel ezelőtt erősítették meg, ám a fizikusok mostanra meg...

Az időkristályok létezését, az anyag különösen érdekes állapotát csupán néhány évvel ezelőtt erősítették meg, ám a fizikusok mostanra meglehetősen nagy áttörést hajtottak végre: két időkristály kölcsönhatását indukálták és figyelték meg.

Hélium-3 szuperfolyadékban két időkristály cserélt kvázirészecskéket anélkül, hogy megzavarták volna azok koherenciáját. Ez egy olyan eredmény, amely a kutatók szerint lehetőséget teremt olyan feltörekvő területeken, mint például a kvantuminformáció-feldolgozás, ahol a koherencia létfontosságú.

"A két időkristály kölcsönhatásának ellenőrzése kiemelkedő eredmény. Ezt megelőzően senki sem figyelt meg két időkristályt ugyanabban a rendszerben, nem is beszélve arról, hogy láthattuk, ahogy kölcsönhatásba lépnek," - mondta Samuli Autti, a tanulmány vezető szerzője és a brit Lancasteri Egyetem fizikusa. (1)

"Az ellenőrzött interakciók az első számú tételek azok kívánságlistáján, akik időkristályt akarnak hasznosítani gyakorlati alkalmazásokhoz, például kvantuminformáció-feldolgozáshoz."

Az időkristályok nagyon izgalmasak. Úgy néznek ki, mint a normál kristályok, de egy további sajátos tulajdonsággal is rendelkeznek.

Normál kristályokban az atomok rögzített, háromdimenziós rácsszerkezetben vannak elrendezve, mint például egy gyémánt- vagy kvarckristály atomrácsa. Ezek az ismétlődő rácsok konfigurációjukban különbözhetnek, de nem mozognak nagyon sokat, csak térben ismétlődnek.

Az időkristályokban az atomok kissé eltérően viselkednek. Rezgnek, először az egyik, majd a másik irányba forognak. Ezek az oszcillációk, amelyeket "ketyegésnek" neveznek, szabályos és meghatározott frekvencián vannak rögzítve. Tehát, ahol a szabályos kristályok szerkezete megismétlődik a térben, az időkristályok esetében a térben és az időben is ismétlődik.

Elméletileg az időkristályok a lehető legalacsonyabb energiájú állapotban - ami alapállapot néven ismert - ketyegnek, ezért hosszú ideig stabilak és koherensek. Ezt ki lehetne használni, de csak akkor, ha koherenciájuk megőrizhető egy kontrollált interakcióban.

Autti és kollégái az Egyesült Királyságból és Finnországból felállítottak egy időkristályos kísérletet. Először a hélium-3-at - a hélium egy stabil izotópját két protonnal, de csak egy neutronnal - lehűtötték majdnem az abszolút nulla fokra, létrehozva egy B-fázisú szuperfolyadékot, ami egy alacsony nyomású nulla viszkozitású folyadék.

Ebben a közegben a két időkristály térbelileg megkülönböztetett Bose-Einstein kondenzátummá alakult magnon kvázirészekékből. A magnonok nem valódi részecskék, hanem az elektronok spinjének kollektív gerjesztéséből állnak - mint egy olyan hullám, amely a spinek rácsán keresztül terjed.

Amikor a fizikusok hagyták a két időkristályt összeérni, magnonokat cseréltek - ez az oszcillációt ellentétes fázisra változtatta anélkül, hogy megszűnt volna a koherencia.

Az eredmények megegyeztek a Josephson-effektusnak nevezett szupravezető jelenséggel, amelyben az áram két szupravezető anyag darabja között áramlik egy Josephson-csomópontnak nevezett vékony szigetelő résszel elválasztva. Ezek a struktúrák egyikét jelentik a kvantumbiteknek, az információ alapegységeinek a kvantumszámítógépekben.

Ez egy nagyon egyszerű interakció, de megnyitja a lehetőséget, hogy megpróbáljunk sokkal kifinomultabbakat létrehozni és irányítani.

"Eredményeink azt mutatják, hogy az időkristályok engedelmeskednek a kvantummechanika általános dinamikájának, és alapot kínálnak ezen fázisok alapvető tulajdonságainak további vizsgálatához, útvonalakat nyitva a fejlődő területeken, például a kvantuminformáció-feldolgozás lehetséges alkalmazásaihoz," - írták a kutatók a tanulmányukban. (2)

"A hosszú életű koherens kvantumrendszerek hangolható kölcsönhatásokkal, mint például az itt vizsgált robosztus időkristályok, platformot biztosítanak a spin-koherens jelenségek alapján új kvantumkészülékek felépítéséhez."

(1) - https://www.lancaster.ac.uk/news/first-ever-obser
(2) - https://www.nature.com/articles/s41563-020-078