(Alexandr Gnezdilov Light Painting/Moment/Getty Images) Fysikere har lige taget et fantastisk skridt mod kvanteudstyr, der lyder som noget ud af science fiction.
For første gang opførte isolerede grupper af partikler sig som bizart materiens tilstande kendt som tidskrystaller er blevet forbundet til et enkelt, udviklende system, der kunne være utrolig nyttigt i kvanteberegning .
Efter den første observation af interaktionen mellem to tidskrystaller,beskrevet i et papir for to år siden, dette er det næste skridt mod potentielt at udnytte tidskrystaller til praktiske formål, såsom kvanteinformationsbehandling.
Tidskrystaller, der først officielt blev opdaget og bekræftet for et par år siden i 2016, blev engang anset for at være fysisk umulige. De er en fase af stof meget lig normale krystaller, men for en yderligere, ejendommelig og meget speciel egenskab.
I almindelige krystaller er atomerne arrangeret i en fast, tredimensionel gitterstruktur, som atomgitteret af en diamant- eller kvartskrystal. Disse gentagne gitter kan variere i konfiguration, men enhver bevægelse, de udviser, kommer udelukkende fra eksterne skub.
I tidskrystaller opfører atomerne sig lidt anderledes. De udviser bevægelsesmønstre i tid, som ikke så let kan forklares med et eksternt skub eller skub. Disse svingninger – kaldet 'tikkende' – er låst til en regelmæssig og bestemt frekvens.
Teoretisk set tikker tidskrystaller ved deres lavest mulige energitilstand – kendt som grundtilstanden – og er derfor stabile og sammenhængende over lange perioder. Så hvor strukturen af regulære krystaller gentager sig i rummet, gentager den sig i tidskrystaller i rum og tid, og udviser således evig bevægelse i grundtilstanden.
'Alle ved, at evighedsmaskiner er umulige,' siger fysiker og hovedforfatter Samuli Autti fra Lancaster University i Storbritannien.
'I kvantefysik er evig bevægelse dog okay, så længe vi holder øjnene lukkede. Ved at snige os igennem denne sprække kan vi lave tidskrystaller.'
De tidskrystaller, teamet har arbejdet med, består af kvasipartikler kaldet magnoner. Magnoner er ikke sande partikler, men består af en kollektiv excitation af elektronernes spin, som en bølge, der forplanter sig gennem et gitter af spins.
Magnoner opstår, når helium-3 – en stabil isotop af helium med to protoner, men kun én neutron – afkøles til inden for en ti tusindedel af en grad af det absolutte nulpunkt. Dette skaber, hvad der kaldes en B-fase superfluid, en nul-viskositet væske med lavt tryk.
I dette medium dannedes tidskrystaller som rumligt adskilte Bose-Einstein kondenserer , der hver består af en billion magnon kvasipartikler.
EN Bose-Einstein kondensat er dannet afbosonerafkøles til kun en brøkdel over det absolutte nul (men når ikke det absolutte nul, på hvilket tidspunktatomer holder op med at bevæge sig).
Dette får dem til at synke til deres laveste energitilstand, bevæge sig ekstremt langsomt og komme tæt nok sammen til at overlappe hinanden, hvilket producerer en sky af atomer med høj tæthed, der fungerer som ét 'superatom' eller en stofbølge.
Da de to tidskrystaller fik lov at røre hinanden, udvekslede de magnoner. Denne udveksling påvirkede oscillationen af hver af tidskrystallerne, hvilket skabte et enkelt system med mulighed for at fungere i to, diskrete tilstande.
I kvantefysik eksisterer objekter, der kan have mere end én tilstand, i en blanding af disse tilstande, før de er blevet fastgjort af en klar måling. Så at have en tidskrystal opererer i et to-statssystem giver rigt nyt plukning som grundlag for kvantebaserede teknologier.
Tidskrystaller er en rimelig måde fra at blive implementeret som qubits, da der er et betydeligt antal forhindringer, der skal løses først. Men brikkerne begynder at falde på plads.
Tidligere i år meddelte et andet hold fysikere, at de havdemed succes skabt stuetemperaturtidskrystallersom ikke behøver at være isoleret fra deres omgivende omgivelser.
Mere sofistikerede interaktioner mellem tidskrystaller og den fine kontrol deraf skal udvikles yderligere, ligesom observation af interagerende tidskrystaller uden behov for afkølede superfluider. Men forskerne er optimistiske.
'Det viser sig at det fungerer smukt at sætte to af dem sammen, selvom tidskrystaller ikke skulle eksistere i første omgang' Hjælp siger . 'Og vi ved allerede, at de også findes ved stuetemperatur.'
Forskningen er publiceret i Naturkommunikation .