(Steve Story Photography/Getty Images) Die Existenz von Zeitkristallen – ein besonders faszinierendes Aggregatszustand - wurde erst vor wenigen Jahren bestätigt, doch den Physikern ist bereits ein ziemlich großer Durchbruch gelungen: Sie haben eine Wechselwirkung zwischen zwei Zeitkristallen induziert und beobachtet.
In einer Helium-3-Superflüssigkeit tauschten zwei Zeitkristalle aus Quasiteilchen ohne ihre Kohärenz zu stören; Eine Errungenschaft, die den Forschern zufolge Möglichkeiten für neue Bereiche wie die Quanteninformationsverarbeitung eröffnet, in denen Kohärenz von entscheidender Bedeutung ist.
„Die Kontrolle der Wechselwirkung zweier Zeitkristalle ist eine große Errungenschaft.“ „Vorher hatte niemand zwei Zeitkristalle im selben System beobachtet, geschweige denn, wie sie interagieren“, sagte der Physiker und Hauptautor Samuli Autti der Lancaster University im Vereinigten Königreich.
„Kontrollierte Interaktionen sind der Punkt Nummer eins auf der Wunschliste eines jeden, der eine… Zeitkristall für praktische Anwendungen wie die Quanteninformationsverarbeitung.'
Zeitkristalle sind ziemlich faszinierend. Sie sehen genauso aus wie normale Kristalle, verfügen jedoch über eine zusätzliche, besondere Eigenschaft.
In regelmäßigen Kristallen sind die Atome a angeordnet feste, dreidimensionale Gitterstruktur , wie das Atomgitter eines Diamanten oder Quarzkristalls. Diese sich wiederholenden Gitter können sich in der Konfiguration unterscheiden, sie bewegen sich jedoch 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 als „Ticken“ bezeichneten Schwingungen sind an eine regelmäßige und bestimmte Frequenz gebunden. Wo sich also die Struktur regelmäßiger Kristalle im Raum wiederholt, wiederholt sie sich bei Zeitkristallen im Raum und Zeit .
Theoretisch Zeitkristalle ticken in ihrem niedrigstmöglichen Energiezustand – dem sogenannten Grundzustand – und sind daher über lange Zeiträume stabil und kohärent. Dies könnte ausgenutzt werden, aber nur, wenn ihre Kohärenz in einer kontrollierten Interaktion gewahrt bleiben könnte.
Also haben Autti und seine Kollegen aus Großbritannien und Finnland ein Zeitkristall-Spieldatum vereinbart. Zuerst kühlten sie Helium-3 – ein stabiles Heliumisotop mit zwei Protonen, aber nur einem Neutron – auf bis zu einem Zehntausendstel Grad des absoluten Nullpunkts ab und erzeugten so ein B-Phasen-Superfluid, eine Flüssigkeit ohne Viskosität und mit niedrigem Druck.
In diesem Medium erschienen die beiden Zeitkristalle räumlich unterschiedlich Bose-Einstein-Kondensate von Magnon-Quasiteilchen. Magnonen sind keine echten Teilchen, sondern bestehen aus einer kollektiven Anregung des Spins von Elektronen – wie eine Welle, die sich durch ein Gitter aus Spins ausbreitet.
Als die Physiker die beiden Zeitkristalle berühren ließen, tauschten sie Magnonen aus – was die Schwingung in die entgegengesetzte Phase änderte, ohne die Kohärenz zu beeinträchtigen.
Die Ergebnisse stimmten mit a überein Supraleitung Phänomen bekannt als Josephson-Effekt , bei dem ein Strom zwischen zwei supraleitenden Materialstücken fließt, die durch einen dünnen Isolator, den sogenannten Josephson-Kontakt, getrennt sind. Diese Strukturen sind eine von mehreren, die derzeit erforscht werden Konstruktion von Qubits , die Basiseinheiten der Informationen in a so viel wie ein Computer .
Es ist nur eine sehr einfache Interaktion, aber sie öffnet die Tür für den Versuch, viel komplexere Interaktionen zu erstellen und zu steuern.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Zeitkristalle der allgemeinen Dynamik der Quantenmechanik gehorchen und eine Grundlage für die weitere Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften dieser Phasen bieten und Wege für mögliche Anwendungen in sich entwickelnden Bereichen wie der Quanteninformationsverarbeitung eröffnen.“ schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Langlebige kohärente Quantensysteme mit einstellbaren Wechselwirkungen, wie die hier untersuchten robusten Zeitkristalle, bieten eine Plattform für den Bau neuartiger Quantengeräte auf der Grundlage spinkohärenter Phänomene.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturmaterialien .