(Alexandr Gnezdilov Lichtmalerei/Moment/Getty Images) Physiker haben gerade einen erstaunlichen Schritt hin zu Quantengeräten gemacht, die wie etwas aus Science-Fiction klingen.
Zum ersten Mal verhalten sich isolierte Teilchengruppen bizarr Aggregatzustände Die sogenannten Zeitkristalle wurden zu einem einzigen, sich entwickelnden System verbunden, das unglaublich nützlich sein könnte Quanten-Computing .
Nach der ersten Beobachtung der Wechselwirkung zwischen zwei Zeitkristallen, ausführlich in einem Artikel vor zwei Jahren Dies ist der nächste Schritt, um Zeitkristalle möglicherweise für praktische Zwecke wie die Quanteninformationsverarbeitung nutzbar zu machen.
Zeitkristalle, die erst vor einigen Jahren im Jahr 2016 offiziell entdeckt und bestätigt wurden, galten einst als physikalisch unmöglich. Sie sind eine Materiephase, die normalen Kristallen sehr ähnlich ist, jedoch über eine zusätzliche, besondere und ganz besondere Eigenschaft verfügt.
In regelmäßigen Kristallen sind die Atome in einer festen, dreidimensionalen Gitterstruktur angeordnet, ähnlich dem Atomgitter eines Diamant- oder Quarzkristalls. Diese sich wiederholenden Gitter können in ihrer Konfiguration unterschiedlich sein, ihre Bewegung erfolgt jedoch ausschließlich durch äußere Stöße.
In Zeitkristallen verhalten sich die Atome etwas anders. Sie zeigen zeitliche Bewegungsmuster, die nicht so einfach durch einen äußeren Stoß oder Stoß erklärt werden können. Diese Schwingungen – „Ticken“ genannt – sind auf eine regelmäßige und bestimmte Frequenz festgelegt.
Theoretisch ticken Zeitkristalle in ihrem niedrigstmöglichen Energiezustand – dem sogenannten Grundzustand – und sind daher über lange Zeiträume stabil und kohärent. Während sich also die Struktur regelmäßiger Kristalle im Raum wiederholt, wiederholt sie sich bei Zeitkristallen im Raum und in der Zeit und weist somit eine ständige Grundzustandsbewegung auf.
„Jeder weiß, dass Perpetuum Mobile unmöglich ist“ sagt der Physiker und Hauptautor Samuli Autti der Lancaster University im Vereinigten Königreich.
„In der Quantenphysik ist Perpetuum Mobile jedoch in Ordnung, solange wir die Augen geschlossen halten.“ Indem wir durch diesen Spalt schleichen, können wir Zeitkristalle herstellen.'
Die Zeitkristalle, mit denen das Team gearbeitet hat, bestehen aus Quasiteilchen sogenannte Magnonen. Magnonen sind keine echten Teilchen, sondern bestehen aus einer kollektiven Anregung des Spins von Elektronen, ähnlich einer Welle, die sich durch ein Spingitter ausbreitet.
Magnonen entstehen, wenn Helium-3 – ein stabiles Heliumisotop mit zwei Protonen, aber nur einem Neutron – auf bis zu einem Zehntausendstel Grad des absoluten Nullpunkts abgekühlt wird. Dadurch entsteht ein sogenanntes B-Phasen-Superfluid, eine Flüssigkeit ohne Viskosität und mit niedrigem Druck.
In diesem Medium bildeten sich räumlich getrennte Zeitkristalle Bose-Einstein-Kondensate , die jeweils aus einer Billion Magnon-Quasiteilchen bestehen.
A Bose-Einstein-Kondensat entsteht aus Bosonen auf nur einen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt (aber nicht den absoluten Nullpunkt erreichend). Atome hören auf, sich zu bewegen ).
Dadurch sinken sie in ihren Zustand mit der niedrigsten Energie, bewegen sich extrem langsam und kommen so nah zusammen, dass sie sich überlappen, wodurch eine hochdichte Atomwolke entsteht, die wie ein „Superatom“ oder eine Materiewelle wirkt.
Als die beiden Zeitkristalle einander berühren durften, tauschten sie Magnonen aus. Dieser Austausch beeinflusste die Schwingung jedes Zeitkristalls und schuf ein einziges System mit der Möglichkeit, in zwei diskreten Zuständen zu funktionieren.
In der Quantenphysik existieren Objekte, die mehr als einen Zustand haben können, in einer Mischung dieser Zustände, bevor sie durch eine eindeutige Messung bestimmt werden. Also mit einem Zeitkristall in einem Zwei-Staaten-System agieren liefert reichhaltige neue Erkenntnisse als Grundlage für quantenbasierte Technologien.
Zeitkristalle sind weit davon entfernt, als Qubits eingesetzt zu werden, da zunächst zahlreiche Hürden zu überwinden sind. Aber die Teile fangen an, zusammenzupassen.
Anfang des Jahres gab ein anderes Physikerteam dies bekannt erfolgreich Zeitkristalle bei Raumtemperatur hergestellt die nicht von ihrer Umgebung isoliert werden müssen.
Anspruchsvollere Wechselwirkungen zwischen Zeitkristallen und deren Feinsteuerung müssen weiterentwickelt werden, ebenso wie die Beobachtung wechselwirkender Zeitkristalle ohne die Notwendigkeit gekühlter Supraflüssigkeiten. Aber Wissenschaftler sind optimistisch.
„Es stellt sich heraus, dass das Zusammenfügen zweier davon wunderbar funktioniert, auch wenn Zeitkristalle eigentlich gar nicht existieren sollten.“ Hilfe sagt . „Und wir wissen bereits, dass sie auch bei Raumtemperatur existieren.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .