Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Исследователи достигли значительного прорыва в квантовой физике, создав новый тип временного кристалла – квазикристалл, уникальную фазу материи, которая бросает вызов традиционным представлениям о движении и времени.
Команда из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (WashU) создала временные квазикристаллы внутри миллиметрового кусочка алмаза, что, по их мнению, может революционизировать квантовые вычисления и точное измерение времени, обеспечив стабильный, сохраняющий энергию метод измерения времени и хранения квантовой информации.
Для лучшего понимания Чонг Зу, доктор философии, доцент кафедры физики и один из авторов исследования, сравнивает временные кристаллы с алмазами или кварцем, чья форма и блеск обусловлены высокоорганизованными атомными структурами, где атомы углерода образуют повторяющиеся, предсказуемые пространственные узоры.
Аналогично их частицы следуют повторяющемуся узору, но во времени, а не только в пространстве, то есть вибрируют или «тикают» с постоянной частотой, кристаллизуясь, как в пространстве, так и во времени.
Квазикристаллы – От теории к реальности
Зу сравнивает временные кристаллы с часами, которые никогда не нужно заводить или заряжать, объясняя, что в теории они могут колебаться бесконечно. Однако отмечает, что на практике они более хрупкие и чувствительные к окружающей среде.
«Мы смогли наблюдать сотни циклов в наших кристаллах до их разрушения, что впечатляет», – объясняет Зу, добавляя, хотя первый временной кристалл был создан в Университете Мэриленда в 2016 году, его команда продвинула эту область, создав квазикристаллы. «Это совершенно новая фаза материи».
Для исследования команда объединилась с учёными из Массачусетского технологического института (MIT) и Гарвардского университета, создав квазикристаллы внутри крошечного кусочка алмаза. Затем они подвергли его воздействию высокоэнергетических пучков азота, смещая атомы углерода и создавая микроскопические «не занятые места – вакансии».
Когда электроны перемещались в эти «вакансиях», они начинали взаимодействовать на квантовом уровне с соседними частицами, что было продемонстрировано Зу и его командой в более ранних исследованиях с использованием аналогичного подхода для создания квантового алмазного микроскопа.
«Мы использовали микроволновые импульсы, чтобы запустить ритмы во временных квазикристаллах, а микроволны помогают создать порядок во времени», – рассказывает Бинтянь Е, доктор философии, научный сотрудник кафедры физики MIT, добавляя, что временные квазикристаллы содержат более миллиона «вакансий» в алмазе, каждая размером около одного микрометра.
Потенциальные области применения
Гуанхуэй Хэ, аспирант WashU и ведущий автор статьи, объясняет, что в материаловедении квазикристаллы высокоорганизованные, несмотря на то что их атомы не следуют единообразным узорам. Аналогично временные квазикристаллы вибрируют с разными частотами по разным измерениям.
Теперь учёные считает, что, поскольку временные кристаллы и квазикристаллы чувствительны к квантовым силам, как магнетизм, они могут служить долговечными квантовыми датчиками, которые никогда не нуждаются в подзарядке. Это, в свою очередь, предполагает, что они также могут проложить путь к точному измерению времени.
Кварцевые механизмы в часах и электронике требуют калибровки. Временной кристалл, напротив, может поддерживать постоянный «тик» с минимальной потерей энергии. Датчик временного квазикристалла потенциально может измерять несколько частот одновременно, создавая более полную картину времени жизни квантового материала.
Однако, прежде чем временные кристаллы можно будет использовать на практике, исследователи должны научиться считывать и отслеживать их сигналы, так как в настоящее время они могут только заставить их «тикать», а не измерять время точно. Тем не менее их способность колебаться бесконечно без потери энергии представляет значительный интерес для квантовых вычислений.
«Они могли бы хранить квантовую память в течение длительных периодов времени, по сути, как квантовый аналог оперативной памяти (RAM). Мы ещё далеки от такого рода технологий, но создание временного квазикристалла – это решающий первый шаг», – делает вывод Зу.
