Исследователи создали первый в мире квазивременной кристалл — новую фазу материи, которая бросает вызов традиционным представлениям о времени и движении. Он был создан путем облучения крошечного алмаза мощными пучками азота, чтобы устранить некоторые атомы углерода и вызвать квантовое взаимодействие между электронами. Этот инновационный материал может найти интересное применение, начиная от компьютерных компонентов и заканчивая высокопроизводительными квантовыми датчиками.
Кристаллы характеризуются высокоорганизованной внутренней структурой, повторяющейся и предсказуемой. Такое особое расположение, известное как «периодичность», придает им характерный блеск. В то время как эти кристаллы имеют периодичность в пространстве, временные кристаллы также имеют периодичность во времени. Другими словами, их атомы вибрируют на постоянных и повторяющихся частотах, благодаря чему они кристаллизуются в этих четырех физических измерениях.
Кристаллы времени можно сравнить с автономными часами, не требующими подзавода, батареек или аккумуляторов, поскольку теоретически они могут работать неограниченно долго. Однако эти структуры особенно чувствительны к внешним воздействиям и обычно поддерживают свой цикл лишь в течение сотни или около того колебаний, после чего останавливаются.
Недавно открытые квазикристаллы обладают удивительной особенностью: они упорядочены, но не имеют периодичности. Хотя считалось, что периодичность неразрывно связана с кристаллическими фазами, эти структуры бросают вызов такому предположению. Их атомное расположение не является ни абсолютно случайным, как в случае аморфных материалов, ни строго регулярным, как в обычных кристаллах.
Хотя кристаллы времени были открыты в 2016 году, группа ученых под руководством Вашингтонского университета в Сен-Луи впервые создала временный квазикристалл. «Это совершенно новая фаза материи», — объясняет Чонг Зу, научный сотрудник кафедр физики Вашингтонского и Гарвардского университетов и соавтор исследования. «Мы считаем, что являемся первой группой, создавшей настоящий квазикристалл времени», — добавляет ведущий автор исследования Гуаньхуэй Хэ, также из Вашингтонского университета.
Пустые пространства, позволяющие квантовое взаимодействие между электронами
Квазикристаллы сохраняют высокоорганизованную структуру, хотя их атомы не имеют одинакового расположения во всех измерениях. Аналогичным образом временные квазикристаллы вибрируют на разных частотах в разных измерениях. Их ритм, хотя и точный и структурированный, больше похож на музыкальный аккорд, чем на одну ноту.
Для создания квазикристалла времени Хэ и его коллеги использовали крошечный алмаз диаметром один миллиметр, бомбардированный пучками азота, достаточно мощными, чтобы изгнать некоторые атомы углерода. В результате остались пустые пространства размером с атом, где электроны могли свободно перемещаться и квантово взаимодействовать со своими соседями.
Ученые применили тот же подход для создания алмазного квантового микроскопа. Каждый квазикристалл времени содержит более миллиона пустот (оставленных удаленными атомами углерода) и имеет диаметр около одного микрометра, что требует использования микроскопа для наблюдения. Затем команда использовала микроволновые импульсы, чтобы запустить ритмы в этих временных квазикристаллах. «Микроволны стабилизируют временную структуру», — объясняет Бингтиан Йе, научный сотрудник физического факультета Гарвардского университета и соавтор исследования, опубликованного в журнале .
Материал, который может улучшить квантовые вычисления
Кристаллы времени и квазикристаллы не просто подтверждают некоторые фундаментальные теории квантовой механики, но и могут найти широкое применение. В области квантовых вычислений эти структуры обеспечивают как стабильность, так и энергоэффективность. «Они могут хранить квантовую память в течение длительных периодов времени, как квантовый эквивалент RAM-памяти», — предполагает Чонг Зу.
Эти материалы также можно использовать в качестве высокоточных и долговечных квантовых датчиков, поскольку они чувствительны к квантовым силам, таким как магнетизм. Кроме того, они дают преимущество для точного определения времени. В отличие от обычных часов, которые склонны к отклонениям и требуют регулярной калибровки, кристаллы времени теоретически поддерживают постоянную частоту с минимальными потерями энергии. При этом квазикристаллические часы могут измерять несколько частот одновременно, позволяя детально изучить эволюцию квантового материала.
Однако необходимы дальнейшие исследования, прежде чем временные кристаллы и квазикристаллы можно будет использовать на практике, будь то хронометрия или квантовые вычисления. «Мы все еще далеки от такого рода технологий, но создание квазикристалла времени — это важный шаг вперед», — заключает Гуанхуэй Хэ.