Фізики створили першу у світі систему з двох темпоральних кристалів, що спостерігається, що довгий час вважалося фізично неможливим. Відкриття, зроблене міжнародною групою вчених, було опубліковано в журналі Nature Communications.

Концепцію квантового тимчасового, або темпорального кристала запропонував фізик-теоретик та лауреат Нобелівської премії Френк Вільчек у 2012 році. Вона передбачає існування об’єкта, атоми якого перебувають у постійному русі, повторюючи різні конфігурації з певною періодичністю у часі і навіть не одержуючи енергію ззовні. Ця властивість називається порушенням інваріантності (симетрії) щодо зсуву часу. Пряме спостереження такого руху неможливе, оскільки ця дія передбачає внесення в систему енергії, тобто створення темпорального кристала вимагає повної ізоляції від навколишнього середовища, включаючи спостерігача.

В експерименті, проведеному дослідниками Ланкастерського університету, Лондонського університету, Інституту Ландау в Москві та Університету Аалто в Гельсінкі, вдалося створити квантову систему, що спостерігається, яка існує в суперпозиції станів двох тимчасових кристалів. Така система може розглядатися як кубіт – найменша одиниця інформації у квантовому комп’ютері. Кожен темпоральний кристал складався з трильйону квазічастинок, званих магнонами, в надплинній фазі ізотопу гелію-3, що міститься всередині кварцового циліндра. Магнон є елементарним збудженням (квантом) системи з взаємодіючих спінів електронів, тобто є хвилею з мінливих магнітний момент частинок. Магнони всередині гелію-3 виникали як кванти поперечних хвиль, що впливають на результуючу намагніченість, яка прецесувала у зовнішньому магнітному полі.

Темпоральний кристал відзначений як синя крапля всередині заповненого надтекучим гелієм-3 контейнера. Кільце дроту, відзначене зеленим кольором, створює статичне магнітне поле, а прецесія намагніченості (фіолетовий конус) спостерігається за допомогою двох вертикальних котушок з боків.

Схема формування темпорального кристала

Темпоральний кристал відзначений як синя крапля всередині заповненого надтекучим гелієм-3 контейнера. Кільце дроту, відзначене зеленим кольором, створює статичне магнітне поле, а прецесія намагніченості (фіолетовий конус) спостерігається за допомогою двох вертикальних котушок з боків. Зображення: nature.com

При досить високій щільності магнонів і низькій температурі гелію-3 (охолодженого до приблизно однієї десятитисячної градуси від абсолютного нуля) магнони формували конденсат Бозе-Ейнштейна — стан речовини, при якому всі його частинки (в даному випадку магнони) займають одні й ті самі енергетичні. стану і поводяться як квантовий об’єкт, що має єдиний спин. У цьому випадку прецесія спина магнонного конденсату проявляється як періодичний рух, характерний темпорального кристала.

Обидва темпоральні кристали являли собою «краплі», що розташовуються одна над іншою в об’ємі гелію-3, при цьому друга «крапля» знаходилася у поверхні надплинної рідини. Вчені продемонстрували, що система двох когерентно взаємодіючих кристалів демонструють властивості, характерні для типової квантової системи з двома станами. Автори роботи вважають, що такі дворівневі системи можна створити і за кімнатної температури, наприклад, на основі магнонів у плівках залізо-іттрієвого гранату, що корисно для розробки нових методів квантової обробки інформації без використання екстремального охолодження.

By molgal