Нарушение законов физики: кристаллы времени «невозможны», но подчиняются квантовой физике
Кристаллы времени долгое время считались невозможными, потому что их вечное движение, казалось бы, бросало вызов законам физики. Тем не менее, используя квантовую физику, ученые не только создали кристаллы времени, но и показали, что у них есть потенциал для питания полезных устройств в будущем.
Ученые создали первую систему из двух тел «кристалл времени» в эксперименте, который, кажется, нарушает законы физики.
Это произошло после того, как та же команда недавно стала свидетелем первого взаимодействия новой фазы материи.
Долгое время считалось, что кристаллы времени невозможны, потому что они состоят из атомов, находящихся в бесконечном движении. Новое исследование показывает, что кристаллы времени можно не только создавать, но и потенциально превращать в полезные устройства.
Кристаллы времени отличаются от стандартных кристаллов, таких как металлы или камни, которые состоят из атомов, регулярно повторяющихся в пространстве.
Впервые теоретизированные в 2012 году лауреатом Нобелевской премии Фрэнком Вильчеком и идентифицированные в 2016 году, кристаллы времени обладают странным свойством находиться в постоянном, повторяющемся движении во времени, несмотря на отсутствие внешнего воздействия.
Их атомы постоянно колеблются, вращаются или движутся то в одну, то в другую сторону.
Самули Аутти, ведущий автор исследования с физического факультета Ланкастерского университета, объяснил: «Все знают, что вечные двигатели невозможны. Однако в квантовой физике вечное движение допустимо, пока мы держим глаза закрытыми. Пробравшись через эту щель, мы сможем сделать кристаллы времени».
«Оказывается, объединение двух из них прекрасно работает, даже если кристаллов времени вообще не должно быть. И мы уже знаем, что они существуют и при комнатной температуре».
Кристалл времени — это макроскопическая квантовая система, находящаяся в периодическом движении в своем основном состоянии. В наших экспериментах два связанных кристалла времени, состоящие из спин-волновых квазичастиц (магнонов), образуют макроскопическую двухуровневую систему. Два уровня развиваются во времени, что определяется нелинейной обратной связью, что позволяет нам построить спонтанную двухуровневую динамику. В ходе пересечения уровней магноны перемещаются с основного уровня на возбужденный уровень за счет эффекта Ландау-Зинера в сочетании с колебаниями населенности Раби. Мы демонстрируем, что кристаллы времени магнонов позволяют получить доступ ко всем аспектам и деталям квантово-когерентных взаимодействий за один запуск эксперимента. Наша работа открывает перспективы для обнаружения майорановских фермионов, связанных с поверхностью, в лежащей в их основе сверхтекучей системе.
«Двухуровневая система» — это основной строительный блок квантового компьютера. Кристаллы времени можно использовать для создания квантовых устройств, работающих при комнатной температуре.
Международная группа исследователей из Ланкастерского университета, Института Ландау и Университета Аалто в Хельсинки наблюдала за кристаллами времени с помощью гелия-3, редкого изотопа гелия с одним недостающим нейтроном. Эксперимент проводился в Университете Аалто.
Они охладили сверхтекучий гелий-3 примерно до одной десятитысячной градуса от абсолютного нуля (0,0001 К или -273,15 °С).
Исследователи создали внутри сверхтекучей жидкости два кристалла времени и привели их в соприкосновение. Затем ученые наблюдали, как два кристалла времени взаимодействуют, как описано в квантовой физике.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.