Ученые разработали первый в мире квазивременной кристалл – новую форму материи, которая противоречит общепринятым взглядам на время и движение. Квантовое взаимодействие между электронами было вызвано облучением небольшого алмаза интенсивными пучками азота, что привело к удалению некоторых атомов углерода. Этот перспективный материал может быть использован в различных областях, включая создание компьютерных компонентов и разработку высокочувствительных квантовых датчиков.
Кристаллическая структура отличается высокой степенью организации, с повторяющимся и предсказуемым расположением элементов. Эта особенность, называемая «периодичностью», обуславливает их характерный блеск. Если обычные кристаллы обладают периодичностью в пространстве, то временные кристаллы демонстрируют её и во времени. Это означает, что их атомы вибрируют с постоянными и повторяющимися частотами, что позволяет им кристаллизоваться в четырех физических измерениях.
Кристаллы времени можно провести аналогию с автономными часами, которые не нуждаются в подзаводе, батарейках или аккумуляторах, так как, по теории, способны функционировать бесконечно долго. Тем не менее, эти структуры весьма восприимчивы к внешним факторам и, как правило, сохраняют свой цикл лишь в течение примерно ста колебаний, после чего прекращают работу.
Новые квазикристаллические структуры демонстрируют необычное свойство – они обладают упорядоченностью, но лишены периодичности. Ранее существовало убеждение, что периодичность является неотъемлемой характеристикой кристаллических фаз, однако открытие этих структур ставит под сомнение данное утверждение. Атомная организация в квазикристаллах не является ни полностью хаотичной, как в аморфных материалах, ни строго повторяющейся, как в обычных кристаллах.
Хотя кристаллы времени были открыты в 2016 году, ученые из Вашингтонского университета в Сен-Луи первыми получили временной квазикристалл. « Это совершенно новая фаза материи», — поясняет Чонг Зу, научный сотрудник кафедр физики Вашингтонского и Гарвардского университетов и один из авторов исследования. « Мы убеждены, что именно наша группа первой разработала настоящий квазикристалл времени », — отмечает ведущий автор исследования Гуаньхуэй Хэ, работающий также в Вашингтонском университете.
Области, в которых электроны могут взаимодействовать посредством квантовых эффектов
Квазикристаллы характеризуются высокоорганизованной структурой, несмотря на неравномерное расположение атомов в различных измерениях. Временные квазикристаллы также вибрируют с разными частотами в разных измерениях. Их ритм, обладая точностью и структурированностью, скорее напоминает музыкальный аккорд, нежели единичный звук.
Хэ и его коллеги создали квазикристалл времени, используя крошечный алмаз диаметром всего один миллиметр. Для этого они подвергли его воздействию мощных пучков азота, что привело к выбиванию некоторых атомов углерода. В образовавшихся пространствах, сопоставимых по размеру с атомом, электроны получили возможность свободно перемещаться и квантово взаимодействовать с окружающими атомами.
С помощью аналогичной методики был создан алмазный квантовый микроскоп. Каждый квазикристалл времени включает в себя более миллиона пустот (образованных удаленными атомами углерода) и характеризуется диаметром приблизительно один микрометр, что обуславливает необходимость использования микроскопа для визуализации. После этого исследователи применили микроволновые импульсы для активации ритмов во временных квазикристаллах. « Микроволны стабилизируют временную структуру», — поясняет Бингтиан Йе, научный сотрудник физического факультета Гарварда и один из авторов работы, которая была опубликована в журнале .
Материалы, способные повысить эффективность квантовых вычислений
Эти материалы, такие как кристаллы времени и квазикристаллы, не только служат доказательством некоторых основополагающих теорий квантовой механики, но и обладают значительным потенциалом для практического применения. В сфере квантовых вычислений они обеспечивают стабильную и экономичную работу. « Эти устройства способны удерживать квантовую информацию на протяжении значительного времени, выступая в роли квантового аналога оперативной памяти », — предполагает Чонг Зу.
Благодаря чувствительности к квантовым явлениям, таким как магнетизм, эти материалы применимы для создания высокоточных и долговечных квантовых датчиков. Они также обеспечивают преимущества в области точного измерения времени. В отличие от традиционных часов, подверженных отклонениям и нуждающихся в периодической калибровке, кристаллы времени, теоретически, поддерживают стабильную частоту с незначительными потерями энергии. К тому же, квазикристаллические часы способны измерять несколько частот одновременно, что позволяет проводить детальное исследование эволюции квантового материала.
Требуются дополнительные исследования, чтобы временные кристаллы и квазикристаллы нашли практическое применение, например, в хронометрии или квантовых вычислениях. « Хотя до появления подобных технологий пока еще далеко, создание квазикристалла времени представляет собой значительный прогресс », — заключает Гуанхуэй Хэ.