(Adrienne Bresnahan/Moment/Getty Images) Wir sind gerade einen weiteren Schritt näher an Zeitkristalle gekommen, die für praktische Anwendungen genutzt werden können.
Neue experimentelle Arbeiten haben eine Raumtemperatur ergeben Zeitkristall in einem System, das nicht von seiner Umgebung isoliert ist.
Dies ebnet den Forschern zufolge den Weg für Zeitkristalle im Chip-Maßstab, die in realen Umgebungen eingesetzt werden können, ohne dass teure Laborgeräte erforderlich sind, um sie am Laufen zu halten.
„Wenn Ihr experimentelles System einen Energieaustausch mit seiner Umgebung hat, arbeiten Dissipation und Rauschen Hand in Hand und zerstören die zeitliche Ordnung.“ sagt Ingenieur Hossein Taheri der University of California, Riverside.
„In unserer photonischen Plattform stellt das System ein Gleichgewicht zwischen Gewinn und Verlust her, um Zeitkristalle zu erzeugen und zu bewahren.“
Zeitkristalle, manchmal auch Raum-Zeit-Kristalle genannt, deren tatsächliche Existenz nur bestätigt wurde vor einigen Jahren , sind so faszinierend wie der Name vermuten lässt. Sie sind eine Phase der Materie, die normalen Kristallen sehr ähnlich ist, aber eine sehr wichtige zusätzliche Eigenschaft aufweist.
In regelmäßigen Kristallen sind die Atome, aus denen sie bestehen, in einer Anordnung angeordnet feste, dreidimensionale Gitterstruktur – Das Atomgitter eines Diamanten oder Quarzkristalls ist ein gutes Beispiel. Diese sich wiederholenden Gitter können sich in ihrer Konfiguration unterscheiden, aber innerhalb einer bestimmten Formation bewegen sie sich nicht sehr stark; sie wiederholen sich nur räumlich.
In Zeitkristallen verhalten sich die Atome etwas anders. Sie schwingen und drehen sich zuerst in die eine und dann in die andere Richtung. Diese Schwingungen – „Ticken“ genannt – sind auf eine regelmäßige und bestimmte Frequenz festgelegt. Während sich die Struktur regelmäßiger Kristalle im Raum wiederholt, wiederholt sie sich bei Zeitkristallen in Raum und Zeit.
Um Zeitkristalle zu untersuchen, verwenden Wissenschaftler häufig Bose-Einstein-Kondensate von Magnon Quasiteilchen . Diese müssen bei außergewöhnlich niedrigen Temperaturen, sehr nahe dem absoluten Nullpunkt, gehalten werden. Dies erfordert eine sehr spezielle und hochentwickelte Laborausrüstung.
In ihrer neuen Forschung haben Taheri und sein Team einen Zeitkristall ohne Unterkühlung geschaffen. Ihre Zeitkristalle waren rein optische Quantensysteme, die bei Raumtemperatur erzeugt wurden. Zuerst nahmen sie einen winzigen Mikroresonator, eine Scheibe aus Magnesiumfluoridglas mit nur einem Millimeter Durchmesser. Dann bombardierten sie diesen optischen Mikroresonator mit den Strahlen zweier Laser.
Die selbsterhaltenden subharmonischen Spitzen (Solitonen), die aus den von den beiden Laserstrahlen erzeugten Frequenzen resultierten, deuteten auf die Entstehung von Zeitkristallen hin. Das System erzeugt eine rotierende Gitterfalle für optische Solitonen, die dann Periodizität aufweisen.
Um die Integrität des Systems bei Raumtemperatur aufrechtzuerhalten, verwendete das Team Selbstinjektionsverriegelung , eine Technik, die sicherstellt, dass die Laserleistung eine bestimmte optische Frequenz beibehält. Dies bedeutet, dass das System aus dem Labor entfernt und für Feldanwendungen genutzt werden könnte, sagen die Forscher.
Zusätzlich zu möglichen zukünftigen Untersuchungen der Eigenschaften von Zeitkristallen, wie z. B. Phasenübergängen und Zeitkristallinteraktionen , könnte das System verwendet werden, um neue Messungen der Zeit selbst durchzuführen. Eines Tages könnten sogar Zeitkristalle integriert werden Quantencomputer .
„Wir hoffen, dass dieses photonische System in kompakten und leichten Hochfrequenzquellen mit überlegener Stabilität sowie bei der präzisen Zeitmessung eingesetzt werden kann.“ Sagt Taheri .
Die Forschung des Teams wurde in veröffentlicht Naturkommunikation .