Ученые впервые в истории успешно связали кристалл времени с внешним устройством

Финские исследователи из Университета Аалто совершили значимый прорыв в области квантовой физики, впервые в истории успешно связав кристалл времени с внешней системой. Это достижение, ставшее первой демонстрацией преобразования кристалла времени в оптомеханическую систему, открывает путь к созданию новых высокоточных датчиков, квантовых систем хранения данных и других инновационных технологий. 

Концептуально похожие на природные кристаллические формы, кристаллы времени были впервые предложены нобелевским лауреатом Ф.Вильчеком в 2012 году, который предположил, что аналогичные системы могут существовать не только в пространстве, но и во времени. Теория Вильчека предшествовала официальному экспериментальному открытию кристаллов времени всего на четыре года, и теперь их можно рассматривать как необычную форму материи, чье движение повторяется бесконечно. 

В недавнем исследовании Мякинен и его коллеги продемонстрировали, что свойства кристалла времени можно изменять — задача, которую никогда не удавалось решить ранее. «Вечное движение возможно в квантовом мире, если оно не нарушается внешним поступлением энергии, например, наблюдением, — недавно пояснил Мякинен. — Именно поэтому кристалл времени никогда раньше не был связан ни с одной внешней системой». 

Однако теперь это ограничение осталось в прошлом. «Мы сделали именно это, — добавил ученый, — и также впервые показали, что с помощью этого метода можно регулировать свойства кристалла». В ходе эксперимента Мякинен и его команда разработали систему, которая использовала радиоволны для приведения магнонов — разновидности квазичастиц — в движение внутри сверхтекучей жидкости, созданной из легкого и очень стабильного изотопа гелия, известного как гелий-3. Эта жидкость была охлаждена до температур, близких к абсолютному нулю. Примечательно, что исследователи обнаружили: после отключения радиочастотного «инжектора» магнонов, частицы самоорганизовались в кристалл времени, который оставался в движении в течение нескольких минут — необычно долгого времени для подобных систем — а затем постепенно угас до уровня, который команда сочла более не поддающимся измерению. Во время фазы своего ослабления команда также наблюдала, как кристалл времени взаимодействует с механическим осциллятором, причем изменения амплитуды и частоты устройства, казалось, влияли на взаимодействие с ним кристалла. 

Для Мякинена и его команды поведение, которое они наблюдали у кристалла времени в таких условиях, было значимым, в частности, потому, что оно согласовывалось с явлениями в области оптомеханики. «Мы показали, что изменения частоты кристалла времени полностью аналогичны оптомеханическим явлениям, широко известным в физике», — заявил Мякинен. По его словам, именно на тех же самых явлениях, например, основываются методы, которые ученые используют для обнаружения гравитационных волн от сверхмассивных черных дыр. «Уменьшая потери энергии и увеличивая частоту этого механического осциллятора, нашу установку можно оптимизировать для достижения границ квантового мира», — добавил ученый. 

По сути, Мякинен утверждает, что поведение кристалла времени во взаимосвязи с оптомеханическими явлениями предлагает многообещающий путь к управлению поведением кристалла времени, которое ранее считалось невозможным. Такие практические системы управления этими странными состояниями материи могут привести к приложениям, включающим квантовые технологии и целый ряд других применений. «Кристаллы времени существуют на порядки дольше, чем квантовые системы, используемые сегодня в квантовых вычислениях, — отметил Мякинен, добавив, что он и его коллеги надеются, что их исследование приведет к способам использования этих кристаллов для улучшения квантовых компьютеров, в частности, для питания их систем памяти. — Их также можно было бы использовать в качестве гребенок частот, которые применяются в измерительных устройствах сверхвысокой чувствительности в качестве частотных референсов». 

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.