Физики впервые наблюдали взаимодействие "кристаллов времени"

Ученые из Великобритании, Финляндии и России впервые в истории стали свидетелями взаимодействия между собой двух временных кристаллов, представляющих новую фазу материи. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.

Термин временной, или темпоральный кристалл определяет физическую систему, в которой симметрия нарушена со сдвигом относительно времени, подобно тому, как в обычных кристаллах нарушается симметрия пространства.

Теоретическую возможность существования временных кристаллов предсказал в 2012 году американский физик, лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек. Он предположил, что в такой системе в состоянии равновесия и в отсутствии внешних воздействий должны спонтанно возникать периодические движения. При этом роль узлов кристаллической решетки могут играть не только атомы и электроны, но и фотоны или квазичастицы, например фононы.

Впервые квантовые временные кристаллы были экспериментально продемонстрированы в 2017 году на основе неравновесных систем, симметрию в которых нарушали с помощью лазерного или микроволнового излучений.

"Управляемые взаимодействия — это элемент номер один в списке желаний каждого, кто хочет использовать временные кристаллы для практических приложений, таких как квантовая обработка информации, — приводятся в пресс-релизе слова первого автора исследования, доктора Самули Аутти (Samuli Autti) из Ланкастерского университета. —До этого никто не наблюдал два временных кристалла в одной системе, не говоря уже о том, чтобы они взаимодействовали".

В ходе эксперимента на вращающемся криостате университета Аальто в Финляндии авторы охлаждали сверхтекучий изотоп гелий-3 до температуры, приближенной с точностью до одной десятитысячной градуса к абсолютному нулю (0,0001 кельвинов, или минус 273,15 градусов Цельсия). Затем исследователи создали два временных кристалла внутри сверхтекучей жидкости и позволили им соприкоснуться.

Ученые наблюдали, как два временных кристалла, атомы которых постоянно колеблются, вращаются или движутся сначала в одном направлении, а затем в другом, взаимодействуют и обмениваются составными частицами, перетекающими из одного "кристалла времени" в другой и обратно — явление, известное как эффект Джозефсона.

Авторы отмечают, что временные кристаллы имеют большой потенциал практического применения. Их можно использовать для создания сверхчувствительных сенсоров и самых точных атомных часов, а также систем, в основе которых заложены их показания, таких как гироскопы и GPS.

Кроме того, считается, что управление взаимодействиями временных кристаллов позволит производить квантовые вычисления при достаточно высокой температуре, поскольку временные кристаллы остаются неповрежденными — когерентными — в различных условиях.

Это, в свою очередь, приведет к прорыву в квантовой обработке информации, поскольку защита когерентности — основная трудность, мешающая развитию мощных квантовых компьютеров.