20 июня 2022

Ученым впервые удалось заставить взаимодействовать два пространственно-временных кристалла

Группе ученых-физиков из Финляндии и Великобритании впервые в истории науки удалось заставить взаимодействовать две изолированные группы частиц, находящиеся в уникальном состоянии материи, называемом пространственно-временным кристаллом. И эти взаимодействующие кристаллы образовали единую эволюционирующую систему, которую в будущем можно будет использовать на практике в области квантовых вычислений и квантовых коммуникаций.

Возможность существования пространственно-временных кристаллов была теоретически обоснована в 2012 году Фрэнком Вильчеком (Frank Wilczek), физиком из Массачусетского технологического института. Некоторое время считалось, что эти кристаллы являются невозможными, пока в 2016 году одной из групп физиков удалось создать такой кристалл экспериментальным путем.

В обычных кристаллах атомы упорядочены в виде кристаллической решетки, структура которой повторяется в трехмерном пространстве в любом направлении. Пространственно-временные кристаллы также имеют упорядоченную трехмерную структуру, но все частицы этих кристаллов постоянно движутся так, что через определенные промежутки времени структура кристалла повторяется. Более того, движение частиц, составляющих пространственно-временные кристаллы, невозможно связать с каким-либо внешним воздействием. Эти кристаллы колеблются только на одной строго определенной частоте.

Стабильность частоты колебаний пространственно-временных кристаллов определяются тем, что они всегда находятся в самом низком энергетическом состоянии, называемом стандартным состоянием. В этом состоянии внутри кристалла нет лишней энергии, которая может нарушить гармонию бесконечного движения и колебаний.

Пространственно-временные кристаллы, с которыми работали ученые, состоят из квазичастиц, называемых магнонами. А магноны, в свою очередь, представляют собой коллективные возмущения спинов электронов, которые могут распространяться по кристаллической решетке, подобно волнам.

Магноны возникают, когда гелий-3, стабильный изотоп гелия с двумя протонами и одним нейтроном, охлаждается до температуры в одну тысячную градуса выше точки абсолютного нуля. При такой температуре гелий превращается в сверхтекучую жидкость (супержидкость), имеющую нулевую вязкость и способную течь без сопротивления.

Далее ученые организовали два облака конденсата Бозе-Эйнштейна, каждое из которых состояло приблизительно из триллиона квазичастиц-магнонов. При этом, каждое облако конденсата обрело определенную плотность, перешло в самое низкое энергетическое состояние и начало действовать, подобно одной огромной квазичастице, а отдельные квазичастицы-магноны внутри облака конденсата начали бесконечный "танец", образовав пространственно-временной кристалл.

Когда ученые позволили двум пространственно-временным кристаллам коснуться друг друга, они обменялись некоторым количеством магнонов, что тут же оказало влияние на колебания обоих кристаллов. После такого обмена кристаллы стали взаимосвязанными и сформировали единую систему, способную находиться в одном из двух дискретных состояний.

Вполне естественно, что некоторые из ученых рассматривают пространственно-временные кристаллы в качестве кандидатов на роль кубитов, квантовых битов, являющихся основой квантовых вычислительных систем. Такие "кристаллические" кубиты будут обладать высокой стабильностью, а создание системы из двух связанных кристаллов-кубитов открывает вообще фантастические перспективы в области квантовых вычислений. Тем более другим группам ученых не так давно уже удалось создать пространственно-временные кристаллы, существующие и функционирующие при комнатной температуре, которые не требуют сверхнизких температур и тщательной изоляции от окружающей среды.

В своих дальнейших исследованиях ученые планируют реализовать более сложные виды взаимодействий между пространственно-временными кристаллами, разработать точные методы управления параметрами взаимодействий и энергетического состояния кристаллов. И, если им удастся реализовать все свои задумки, то это может привести к реальным прорывам в области практического использования пространственно-временных кристаллов.