Новий тип часових кристалів: прорив у квантовій фізиці
Фізики створили перший у своєму роді часовий квазікристал – унікальну фазу матерії, в якій часові візерунки мають структуру, але не повторюються. Цей прорив, реалізований у алмазі за допомогою лазерного випромінювання, може прокласти шлях до нових квантових технологій.
«Часові квазікристали можуть стати основою для довготривалого зберігання квантової пам’яті – своєрідного квантового аналога оперативної пам’яті (RAM)», – пояснює фізик Чонг Цзу з Вашингтонського університету. – «Ми ще далеко від цього, але створення часових квазікристалів – важливий перший крок.»
Що таке часові кристали?
Теоретично часові кристали були передбачені фізиком Френком Вілчеком у 2012 році, а вперше експериментально підтверджені у 2016-му. Вони додають новий вимір до впорядкованих атомних решіток, що формують традиційні тверді тіла. Стандартні кристалічні матеріали, такі як алмаз або кварц, мають періодичну структуру атомів, яка повторюється у трьох вимірах. Якщо взяти будь-яку частину такої решітки та накласти на іншу, вони збіжаться.
Часові кристали відрізняються тим, що їхні частинки не просто займають певні місця в просторі, а ще й осцилюють між енергетичними станами у власному ритмі – незалежно від зовнішнього впливу.
Часовий квазікристал – новий етап у квантовій фізиці
Квазікристали – це особливий клас матеріалів, у яких атоми утворюють складну, але неповторювану структуру, подібну до мозаїки Пенроуза. На перший погляд, вона здається періодичною, але при більш детальному аналізі повторів немає. Тепер вчені Вашингтонського та Гарвардського університетів на чолі з Гуанхуєм Хе та Бінтяном Є змогли створити перший часовий квазікристал – систему, в якій частинки осцилюють у впорядкованій, але нерегулярній послідовності.
«Це абсолютно нова фаза матерії», – зазначає Чонг Цзу.
Як створили часовий квазікристал?
Щоб реалізувати цей ефект, дослідники використали алмаз, у кристалічній решітці якого частину атомів вуглецю замінили на азот, створивши так звані азотно-вакансійні центри. Далі вони використали лазери та мікрохвильові імпульси для ініціювання осциляцій електронів.
«Мікрохвильові імпульси запустили ритми часових квазікристалів», – пояснює Бінтян Є. – «Це дозволило створити порядок у часі.»
Науковці спостерігали стабільну динаміку осциляцій протягом сотень циклів, поки часовий квазікристал не почав руйнуватися через зовнішній вплив. Це типова властивість часових кристалів, які є надзвичайно чутливими до збурень.
«Ми впевнені, що стали першою групою, яка створила справжній часовий квазікристал», – підсумовує Хе.
Можливі застосування часових квазікристалів
Це відкриття не тільки поглиблює наше розуміння квантової фізики, але й відкриває нові можливості для практичного використання.
Точні вимірювання: Часові кристали можуть бути використані у метрології для більш точного визначення часу. Квантові датчики: Чутливість до збурень робить їх перспективними для створення надточних сенсорів. Квантові комп’ютери: У майбутньому часові квазікристали можуть допомогти у збереженні квантової інформації.
Хоча реальні квантові технології ще далекі від повсюдного впровадження, кожен крок у цьому напрямку наближає нас до революції у квантовій фізиці.
Висновок
Відкриття часових квазікристалів – це нова віха у вивченні квантових явищ. Використовуючи алмаз та мікрохвильові імпульси, дослідники змогли створити фазу матерії, яка раніше існувала лише у теорії. Результати дослідження опубліковані в Physical Review X, і, без сумніву, вони відкривають двері для подальших експериментів у квантовій фізиці та нових проривних технологій. 
