№ 3

Сентябрь/2022

Russian Traveler 03/2022

Прорыв в квантовой физике: два кристалла времени соединились вместе

Фото: E. Edwards / JQI

Этого добились ученые из Ланкастерского университета в Великобритании.

Впервые изолированные группы частиц, известные как кристаллы времени, были объединены в единую развивающуюся систему, которая может быть крайне полезна в квантовых вычислениях.

Кристаллы времени, официально открытые и подтвержденные в 2016 году, когда-то считались физически невозможными. Они представляют собой фазу вещества, очень похожую на обычные кристаллы, но с одним дополнительным и очень особым свойством.

В правильных кристаллах атомы располагаются в фиксированной трехмерной сетчатой ​​структуре, подобной атомной решетке кристалла алмаза или кварца. Эти повторяющиеся решетки могут различаться по конфигурации, но любое движение, которое они демонстрируют, происходит исключительно от внешнего воздействия.

В кристаллах времени атомы ведут себя немного иначе. Они демонстрируют закономерности движения во времени, которые нельзя так просто объяснить внешним толчком. Эти колебания, называются «тиканьем», они привязаны к регулярной и определенной частоте.

Теоретически кристаллы времени «тикают» в самом низком из возможных энергетических состояний, известном как «основное состояние». Поэтому они стабильны и когерентны (согласованы) в течение длительных периодов времени. Но там, где структура правильных кристаллов повторяется в пространстве, во временных кристаллах она повторяется в пространстве и во времени, демонстрируя, таким образом, вечное движение в основном состоянии.

Кристаллы времени, с которыми работала команда ученых, состоят из квазичастиц, называемых магнонами. Магноны не являются настоящими частицами, а состоят из коллективного возбуждения спина электронов, подобно волне, которая распространяется через решетку спинов.

Магноны появляются, когда гелий-3 – стабильный изотоп гелия с двумя протонами, но всего с одним нейтроном – охлаждается с точностью до одной десятитысячной градуса абсолютного нуля. Это создает то, что называется сверхтекучей фазой B, жидкостью с нулевой вязкостью и низким давлением.

В этой среде кристаллы времени сформировались как пространственно различные конденсаты Бозе-Эйнштейна, каждый из которых состоит из триллиона магнонных квазичастиц. Конденсат Бозе-Эйнштейна образуется из бозонов, охлажденных лишь до доли выше абсолютного нуля (но не достигающих абсолютного нуля, после чего атомы перестают двигаться).

Это заставляет их опускаться в состояние с самой низкой энергией, где они двигаются чрезвычайно медленно и сближаются настолько, что перекрываются, создавая облако атомов высокой плотности, которое действует как один «суператом» или волна материи.

Когда двум кристаллам времени позволили коснуться друг друга, они обменялись магнонами. Этот обмен повлиял на колебание каждого из кристаллов времени, создав единую систему с возможностью функционирования в двух дискретных состояниях.

В квантовой физике объекты, которые могут иметь более одного состояния, существуют в смеси этих состояний до того, как они будут зафиксированы четким измерением. Таким образом, наличие кристалла времени, работающего в системе с двумя состояниями, дает богатые новые возможности в качестве основы для квантовых технологий.

Ранее в этом году другая группа физиков объявила, что они успешно создали кристаллы времени при комнатной температуре, которые не нужно изолировать от окружающей среды. По словам ученых, потребуется дальнейшая разработка более сложных взаимодействий между кристаллами времени и их точного управления, а также наблюдения за взаимодействующими кристаллами времени.