Οι κρύσταλλοι λάμπουν χάρη στην ακριβή διάταξη των ατόμων τους στον χώρο. Το 2012, ο νομπελίστας φυσικός Frank Wilczek πρότεινε ότι μια παρόμοια τάξη μπορεί να υπάρξει όχι στον χώρο, αλλά στον χρόνο. Υπέθεσε ότι ορισμένα κβαντικά συστήματα μπορούν να οργανώνονται σε επαναλαμβανόμενα μοτίβα που διαρκούν επ’ αόριστον χωρίς εξωτερική παροχή ενέργειας. Τα ονόμασε κρυστάλλους χρόνου: βρίσκονται στη χαμηλότερη ενεργειακή τους κατάσταση και παρ’ όλα αυτά εμφανίζουν συνεχή, περιοδική κίνηση. Η ύπαρξή τους επιβεβαιώθηκε πειραματικά το 2016.
Ερευνητές του Τμήματος Εφαρμοσμένης Φυσικής του Aalto University πέτυχαν τώρα ένα σημαντικό ορόσημο, συνδέοντας για πρώτη φορά έναν κρύσταλλο χρόνου με εξωτερικό σύστημα. Η μελέτη, με επικεφαλής τον Academy Research Fellow Jere Mäkinen, δείχνει πώς η ομάδα μετέτρεψε έναν κρύσταλλο χρόνου σε οπτομηχανικό σύστημα. Η προσέγγιση αυτή μπορεί να οδηγήσει σε τεχνολογίες όπως εξαιρετικά ακριβείς αισθητήρες ή βελτιωμένα συστήματα μνήμης για κβαντικούς υπολογιστές, ενισχύοντας ενδεχομένως τις επιδόσεις τους.
Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications.
«Η αέναη κίνηση είναι δυνατή στο κβαντικό πεδίο, εφόσον δεν διαταράσσεται από εξωτερική εισροή ενέργειας, όπως με την παρατήρηση. Γι’ αυτό ένας κρύσταλλος χρόνου δεν είχε ποτέ πριν συνδεθεί με οποιοδήποτε εξωτερικό σύστημα», λέει ο Mäkinen. «Εμείς το καταφέραμε και δείξαμε, επίσης για πρώτη φορά, ότι μπορείς να ρυθμίσεις τις ιδιότητες του κρυστάλλου με αυτή τη μέθοδο».
Για την κατασκευή του συστήματος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ραδιοκύματα για να εγχύσουν magnons σε υπερρευστό Helium-3, ψυχόμενο σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Τα magnons είναι κβασιωματίδια, δηλαδή ομάδες σωματιδίων που συμπεριφέρονται σαν να ήταν μεμονωμένα σωματίδια. Όταν διακόπηκε η παροχή ραδιοκυμάτων, τα magnons αυτοοργανώθηκαν σε κρύσταλλο χρόνου.
Ο κρύσταλλος χρόνου διατήρησε την κίνησή του για ασυνήθιστα μεγάλο διάστημα, έως και 108 κύκλους ή αρκετά λεπτά, πριν εξασθενήσει σε επίπεδο που δεν μπορούσε πλέον να μετρηθεί. Καθώς σταδιακά αποδυναμωνόταν, αλληλεπιδρούσε με έναν γειτονικό μηχανικό ταλαντωτή. Η φύση αυτής της αλληλεπίδρασης εξαρτιόταν από τη συχνότητα και το πλάτος του ταλαντωτή.
«Δείξαμε ότι οι μεταβολές στη συχνότητα του κρυστάλλου χρόνου είναι απολύτως ανάλογες με οπτομηχανικά φαινόμενα, ευρέως γνωστά στη φυσική. Πρόκειται για τα ίδια φαινόμενα που χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων στο Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory στις ΗΠΑ. Μειώνοντας τις απώλειες ενέργειας και αυξάνοντας τη συχνότητα αυτού του μηχανικού ταλαντωτή, η διάταξή μας θα μπορούσε να βελτιστοποιηθεί ώστε να προσεγγίσει τα όρια του κβαντικού πεδίου», σημειώνει ο Mäkinen.
Η σύνδεση με την οπτομηχανική είναι κρίσιμη, καθώς παρέχει έναν τρόπο ελέγχου και ρύθμισης της συμπεριφοράς των κρυστάλλων χρόνου, κάτι που έως τώρα δεν ήταν εφικτό.
Οι κρύσταλλοι χρόνου θα μπορούσαν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη των κβαντικών τεχνολογιών. Η ικανότητά τους να διατηρούνται πολύ περισσότερο από τα τυπικά κβαντικά συστήματα τους καθιστά ιδιαίτερα υποσχόμενους.
«Οι κρύσταλλοι χρόνου διαρκούν κατά τάξεις μεγέθους περισσότερο από τα κβαντικά συστήματα που χρησιμοποιούνται σήμερα στην κβαντική υπολογιστική. Στο καλύτερο σενάριο, οι κρύσταλλοι χρόνου θα μπορούσαν να τροφοδοτούν τα συστήματα μνήμης των κβαντικών υπολογιστών, βελτιώνοντάς τα σημαντικά. Θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως frequency combs, που αξιοποιούνται σε συσκευές εξαιρετικά υψηλής ευαισθησίας ως πρότυπα συχνότητας», λέει ο Mäkinen.
Η έρευνα πραγματοποιήθηκε στο Low Temperature Laboratory, μέρος του OtaNano, της εθνικής υποδομής της Φινλανδίας για νανο-, μικρο- και κβαντικές τεχνολογίες. Η ομάδα αξιοποίησε επίσης υπολογιστικούς πόρους από το Aalto Science-IT project.
Υλικό από το Aalto University. Σημείωση: Το περιεχόμενο μπορεί να έχει υποστεί επεξεργασία για λόγους ύφους και έκτασης.
