Araştırmacılar, nitrojen boşluğu (NV) merkezleri olarak bilinen milyonlarca atomik ölçekli safsızlık ile gömülü küçük bir elmas kullanarak, daha önce teorik olarak hazırlanmış bir zaman kristali oluşturdu. Daha sonra, mikrodalga darbelerini kullanarak sistemi denge dışına “tekmelemek” için kullandılar ve NV merkezinin spinleri tam zamanlı aralıklarla döndü.
Harvard fizikçileri, kuantum sistemlerinin gizemli davranışları hakkında önemli bilgiler verebilecek yeni bir madde şekli – bir zaman kristalinden ibaret – yarattılar.
Geleneksel olarak, tuz, şeker veya hatta elmas gibi kristaller üç boyutlu bir kafeste basitçe atomların periyodik düzenlemeleridir.
Öte yandan, zaman kristalleri, periyodik olarak düzenlenmiş atomlar kavramını alır ve dördüncü bir boyut katar; bazı koşullar altında, bazı malzemelerin zaman içinde periyodik yapı gösterebildiklerini ileri sürer.
Fizik Profesörlerinden Mikhail Lukin ve Eugene Demler, doktora sonrası arkadaşları Renate Landig ve Georg Kucsko, Genç Vadiden Vedika Khemani ve Fizik Bölümü lisansüstü öğrencileri Soonwon Choi, Joonhee Choi ve Hengyun Zhou’dan oluşan bir ekip tarafından yürütülen küçük bir kuantum sistemi inşa etti. Azot boşluğu (NV) merkezleri olarak bilinen milyonlarca atomik ölçekli safsızlık ile gömülü elmas parçası. Daha sonra mikrodalga darbelerini kullanarak sistemi denge dışına “tekmelemek” için kullandılar; böylece NV merkezinin spinleri, zaman kristalinin anahtar işaretlerinden biri olan tam zamanlı aralıklarla döndü. İş Mart ayında Nature dergisinde yayınlanan bir makalede açıklanmaktadır .
Araştırmanın diğer yazarları arasında Junichi Isoya, Shinobu Onoda ve Tsukuba Üniversitesi’nden Hitoshi Sumiya, Takasaki İleri Araştırma Enstitüsü ve Sumitomo, Fedor Jelezko, Ulm Üniversitesi’nden Fedor Jelezko, Princeton Üniversitesi’nden Curt von Keyserlingk ve UC Berkeley’den Norman Y. Yao .
Fakat bir zaman kristali yaratılması sadece teorik olmayan malzemelerin varlığını kanıtladığı için değil, fizikçilere dengesizlik gibi bu dengesizlik sistemlerinin davranışına küstah bir pencere sundukları için önemli değil.
Lukin, “Denge olmayan kuantum sistemlerinin fiziğini anlamak için şu anda geniş, devam etmekte olan bir çalışma var” dedi. “Bu, bir çok kuantum teknolojisinin ilgisini çeken bir alan, çünkü kuantum bilgisayar temelde dengeden uzakta olan bir kuantum sistemi, çok araştırma sınırında … ve gerçekten yüzey çizilmeye çalışılıyor” dedi.
Ancak, bu tür dengesiz sistemleri anlamak, araştırmacıların kuantum hesaplama yolunda ilerlemesine yardımcı olabilir; zaman kristallerinin arkasındaki teknoloji de aynı zamanda daha yakın uygulamalara da sahip olabilir.
Lukin, “Bunun faydalı olabileceğini düşündüğümüz belirli bir alan ve bu, bu çalışmanın orijinal motivasyonlarından biriydi, hassas ölçülerde.” Dedi. “Görünüşe göre, eğer bir manyetik alan sensörü inşa etmeye çalışıyorsanız, NV merkezi döndürmeleri kullanabilirsiniz” dedi. “Dolayısıyla, ürettiğimiz maddenin bu dengesiz durumlarının yararlı olabileceği olası.”
Bununla birlikte, bu tür sistemlerin kurulabileceği fikri başlangıçta pek mümkün görünmüyordu. Aslında birçok araştırmacı (isimler Patrick Bruno, Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa) dengede olan bir kuantum sisteminde bir zaman kristali yaratmanın imkansız olduğunu kanıtlamak için ilerlemişti.
Lukin, “Çevremizdeki pek çok şey dengesinde” dedi. “Sıcak bir vücuda sahipseniz ve soğuk bir vücuda sahipseniz, onları bir araya getirirseniz sıcaklıkları eşitlenecektir, ancak tüm sistemler böyle değildir.”
Dengeli olmayan bir malzemenin en yaygın örneklerinden biri, birçok insanın günlük olarak giydiği bir şey – elmas olduğunu söyledi.
Yoğun ısı ve basınç altında oluşan bir kristalize karbon formu, elmas olağandışı çünkü meta-kararlıdır, yani bir kez bu kristal oluşumunu benimsediğinde, ısı ve basınç kaldırıldıktan sonra bile bu şekilde kalacaktır.
Araştırmacılar, dengesiz sistemlerin – özellikle de “tahrikli” sistemler olarak bilinen ve araştırmacıların periyodik enerji darbeleriyle “tekmeleyebildikleri” gibi özelliklerin zaman kristali özelliklerini sergileyebileceğini anlamaya başlamışlardı.
Bu özelliklerden birisi, kristalin zaman içindeki tepkisinin, bozulmalara karşı sağlam kalacağıdır.
“Katı bir kristal katıdır … dolayısıyla iterseniz, atomlar arasındaki mesafe biraz değişir, ancak kristal de geçerlidir” dedi. “Zaman kristali fikri, bu tür bir zaman alanına sahip olmaktır, ancak sağlam olmalıdır.”
Bir diğer önemli bileşen tipik olarak, bir sistemi dengesizlikten uzak tutarsanız ısıtmaya başlar, ancak bu ısıtmaya karşı dayanıklı bir sistem sınıfı ortaya çıkıyor “diye ekledi. Lukin,” Kristalin etkisinin Bir sistemin heyecanlı olduğu, ancak enerjiyi absorbe etmediği fikriyle kuvvetli bir şekilde ilgilidir. ”
Böyle bir sistemi inşa etmek için Lukin ve arkadaşları, çok sayıda NV merkezi ile gömülü olan, siyah görünen küçük bir elmas parçasıyla başladılar.
Lukin, “Elmasın NV merkezlerinin spinlerinin yönünü değiştiren mikrodalga darbelerine tabi tuttuğunu” söyledi. “Bu temelde işaret edilen tüm döndürmeleri alır ve onları düşürür ve bir sonraki vuruş onları geri getirir.”
Sistemin sağlamlığını test etmek için Lukin ve arkadaşları, malzemenin bir zaman kristali gibi tepki vermeye devam edip etmeyeceğini görmek için darbelerin zamanlamasını değiştirdiler.
Lukin, “Tüm döndürmeleri her seferinde yukarı ya da aşağı doğru yönlendiremezseniz çok hızlı bir şekilde tamamen rasgele bir sistem ortaya çıkarırsınız” dedi. “Ancak NV merkezleri arasındaki etkileşimler tepkiyi istikrara kavuşturuyor: sistemi periyodik, zaman kristal bir şekilde tepki vermeye zorluyorlar.”
Lukin, bu tür sistemler kantitatif bilgisayarların ve kuantum sensörlerin geliştirilmesinde nihai olarak kritik olabilir, çünkü iki kritik bileşen – uzun kuantum hafıza süreleri ve çok yüksek yoğunluklu kuantum bitleri – birbirini dışlamamıştır.
“Birçok uygulama için her ikisini de istiyoruz,” dedi Lukin. “Ancak bu iki gereklilik genellikle çelişkili … Bu bilinen bir sorundur Mevcut çalışma, istenen kombinasyonu sağlayabildiğimizi gösteriyor. Yapılması gereken çok iş var, ancak bu etkilerin Yeni nesil kuantum sensörleri yaratmamızı ve atomik saatler gibi şeylere uzun vadede başka uygulamaları olabileceğini söyledi.
Kaynak:
Harvard Üniversitesi