Pierwsza w historii interakcja kryształów czasu. Otwiera drzwi do przełomowych odkryć

Istnienie kryształów czasu, szczególnie fascynującego stanu materii, zostało potwierdzone zaledwie kilka lat temu. Teraz fizycy dokonali kolejnego przełomu – wywołali i zaobserwowali interakcję między dwoma takimi kryształami czasu.

<p>Naukowcy zaobserwowali, że w nadciekłym helu-3 kryształy dwukrotnie wymieniły kwazicząstki bez zakłócania ich spójności. To proces, który zdaniem badaczy, otwiera nowe możliwości dla wielu dziedzin – m.in. kwantowego przetwarzania informacji.</p>

<p>– Kontrolowanie interakcji dwóch kryształów czasu jest dużym osiągnięciem. Wcześniej nikt nie zaobserwował dwóch kryształów czasu w tym samym układzie, nie mówiąc już o ich interakcji. Kontrolowane interakcje są numerem jeden na liście życzeń każdego, kto chce wykorzystać kryształ czasu do praktycznych zastosowań, takich jak kwantowe przetwarzanie informacji – powiedział główny autor badań <a href="https://www.sciencealert.com/scientists-have-made-time-crystals-interact-for-the-first-time">Samuli Autti</a>, fizyk z Uniwersytetu Lancaster w Wielkiej Brytanii.</p>

<p>Kryształy czasu od lat budzą fascynację. Wyglądem przypominają zwykłe kryształy, ale mają dodatkową, osobliwą właściwość.</p>

<p>W zwykłych kryształach atomy tworzą ustaloną, trójwymiarową strukturę siatki, podobną do struktury atomowej diamentu czy kwarcu. Te powtarzające się siatki mogą różnić się konfiguracją, ale nie przesuwają się – powtarzają się tylko w przestrzeni.</p>

<p>W kryształach czasu atomy zachowują się nieco inaczej. Oscylują, wirując najpierw w jednym kierunku, a potem w drugim. Te oscylacje zachodzą w regularnej i określonej częstotliwości. Tak więc w kryształach czasu siatki powtarzają się w przestrzeni i czasie.</p>

<p>Teoretycznie kryształy czasu oscylują w najniższym możliwym stanie energetycznym, znanym jako stan podstawowy, i dlatego są stabilne i spójne przez długi czas.</p>

<p>Samuli Autti wraz z zespołem naukowców z Wielkiej Brytanii i Finlandii najpierw schłodził hel-3 do temperatury zera absolutnego (−273,15 °C = 0 K) z dokładnością do jednej dziesięciotysięcznej stopnia. W ten sposób uzyskali nadciekły hel-3 – płyn o zerowej lepkości i niskim ciśnieniu.</p>

<p>W tej postaci dwa kryształy czasowe wyłoniły się jako przestrzennie odrębne kondensaty kwazicząstek magnonowych Bosego-Einsteina. Magnony są kwazicząsteczkami opisującymi elementarny kwant propagujących się wzbudzeń spinowych w krysztale.</p>

<p>Kiedy fizycy pozwolili, aby dwa kryształy czasu się zetknęły, doszło między nimi do wymiany magnonów. Proces zmienił oscylację na przeciwną fazę, bez utraty spójności.</p>

<p>Wyniki obserwacji były zgodne ze zjawiskiem nadprzewodnictwa, znanym jako efekt Josephsona, w którym prąd przepływa między dwoma kawałkami materiału nadprzewodzącego, oddzielonymi cienkim izolatorem znanym jako złącze Josephsona.</p>

<p>Struktury te są jednymi z kilku badanych pod kątem budowy kubitów, podstawowych jednostek informacji w komputerze kwantowym.</p>

<p>Zaobserwowana interakcja między kryształami czasu to prosty proces, ale naukowcy pokładają w nim ogromne nadzieje. Badania otwierają drzwi do tworzenia i kontrolowania bardziej wyrafinowanych interakcji między kryształami.</p>

<p>„Nasze wyniki pokazują, że kryształy czasu są zgodne z ogólną dynamiką mechaniki kwantowej i stanowią podstawę do dalszych badań podstawowych właściwości tych faz, otwierając ścieżki dla możliwych zastosowań w rozwijających się dziedzinach, takich jak kwantowe przetwarzanie informacji” – napisali naukowcy w artykule.</p>

<p>„Długożyciowe spójne systemy kwantowe z dostrajalnymi interakcjami, takie jak badane tutaj kryształy czasowe, stanowią platformę do budowy nowych urządzeń kwantowych opartych na zjawiskach spójnych spinowo” – twierdzą autorzy analizy.</p>

<p>Badania zostały opublikowane w <a href="https://www.nature.com/articles/s41563-020-0780-y">Nature Materials</a>.</p>