İki Zaman Kristali İlk Kez Başarılı Bir Şekilde Birbirine Bağlandı

Fizikçiler, kulağa bilimkurgudan fırlamış gibi gelen kuantum cihazlarına doğru inanılmaz bir adım attılar.

İlk kez, zaman kristalleri olarak bilinen, maddenin tuhaf halleri gibi davranan izole parçacık grupları, kuantum hesaplamada inanılmaz derecede faydalı olabilecek, gelişen tek bir sisteme bağlanmıştır.

İki yıl önce bir makalede ayrıntılı olarak açıklanan iki zaman kristali arasındaki etkileşimin ilk gözleminin ardından, bu, kuantum bilgi işleme gibi pratik amaçlar için potansiyel olarak zaman kristallerinden yararlanmaya yönelik bir sonraki adımdır.

Sadece birkaç yıl önce 2016’da resmi olarak keşfedilen ve onaylanan zaman kristallerinin bir zamanlar fiziksel olarak imkansız olduğu düşünülüyordu. Bunlar, normal kristallere çok benzeyen, ancak bir ek, tuhaf ve çok özel özellik için maddenin bir fazıdır.

Düzenli kristallerde atomlar, bir elmas veya kuvars kristalinin atomik kafesi gibi sabit, üç boyutlu bir ızgara yapısında düzenlenir. Bu tekrar eden kafesler konfigürasyonda farklılık gösterebilir, ancak sergiledikleri herhangi bir hareket yalnızca harici itmelerden gelir.

Zaman kristallerinde atomlar biraz farklı davranır. Dıştan bir itme veya itme ile kolayca açıklanamayan zaman içinde hareket kalıpları sergilerler. ‘Tıklama’ olarak adlandırılan bu salınımlar, düzenli ve belirli bir frekansa kilitlenir.

Teorik olarak, zaman kristalleri mümkün olan en düşük enerji durumlarında – temel durum olarak bilinirler – tıklarlar ve bu nedenle uzun süreler boyunca kararlı ve tutarlıdırlar. Böylece, düzenli kristallerin yapısının uzayda tekrarlandığı yerde, zaman kristallerinde uzay ve zamanda tekrar eder, böylece sürekli temel durum hareketi sergiler.

“Sürekli hareket makinelerinin imkansız olduğunu herkes biliyor” fizikçi ve baş yazar Samuli Autti diyor İngiltere’deki Lancaster Üniversitesi’nden.

“Ancak, kuantum fiziğinde gözlerimizi kapalı tuttuğumuz sürece sürekli harekette sorun yoktur. Bu çatlaktan gizlice geçerek zaman kristalleri yapabiliriz.”

Ekibin üzerinde çalıştığı zaman kristalleri, magnon adı verilen yarı parçacıklardan oluşuyor. Magnonlar gerçek parçacıklar değildir, ancak bir spin kafesi boyunca yayılan bir dalga gibi elektronların spininin toplu bir uyarımından oluşur.

Magnonlar, iki protonlu ancak sadece bir nötronlu kararlı bir helyum izotopu olan helyum-3, mutlak sıfır derecesinin on binde birine kadar soğutulduğunda ortaya çıkar. Bu, düşük basınçlı sıfır viskoziteli bir sıvı olan B-fazı süperakışkan denilen şeyi yaratır.

Bu ortamda, uzaysal olarak farklı Bose-Einstein kondensatları olarak oluşan zaman kristalleri, her biri bir trilyon magnon yarı parçacıktan oluşur.

Bose-Einstein yoğuşması, mutlak sıfırın sadece bir kısmına soğutulan bozonlardan oluşur (ancak mutlak sıfıra ulaşmaz, bu noktada atomların hareketi durur).

Bu onların en düşük enerji durumlarına batmalarına, son derece yavaş hareket etmelerine ve üst üste gelecek kadar bir araya gelmelerine, bir “süper atom” veya madde dalgası gibi davranan yüksek yoğunluklu bir atom bulutu üretmelerine neden olur.

İki zaman kristalinin birbirine değmesine izin verildiğinde, magnonları değiş tokuş ettiler. Bu değiş tokuş, zaman kristallerinin her birinin salınımını etkileyerek, iki ayrı durumda çalışma seçeneğine sahip tek bir sistem yarattı.

Kuantum fiziğinde, birden fazla duruma sahip olabilen nesneler, net bir ölçümle sabitlenmeden önce bu durumların bir karışımında bulunur. Yani bir zaman kristaline sahip olmak iki devletli sistemde çalışan kuantum tabanlı teknolojiler için bir temel olarak zengin yeni seçimler sağlar.

Önce çözülmesi gereken çok sayıda engel olduğundan, zaman kristalleri kübit olarak dağıtılmanın adil bir yoludur. Ama parçalar yerine oturmaya başlıyor.

Bu yılın başlarında, farklı bir fizikçi ekibi, ortam sıcaklığından izole edilmesi gerekmeyen oda sıcaklığında zaman kristallerini başarıyla oluşturduklarını açıkladı.

Zaman kristalleri arasındaki daha karmaşık etkileşimlerin ve bunların hassas kontrolünün, soğutulmuş süper akışkanlara ihtiyaç duymadan etkileşimli zaman kristallerini gözlemlemek gibi daha fazla geliştirilmesi gerekecektir. Ancak bilim adamları iyimser.

“İlk etapta zaman kristalleri olmaması gerekse bile, ikisini bir araya getirmek çok güzel işliyor.” Autti diyor. “Ve oda sıcaklığında da var olduklarını zaten biliyoruz.”

Araştırma yayınlandı Doğa İletişimi.