Кристалл времени — это удивительная квантовая система, которая способна поддерживать непрерывное повторяющееся движение, не получая энергии извне. Впервые эту концепцию предложил нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек в 2012 году, а экспериментально её существование подтвердили в 2016-м. Теперь исследователи из Университета Аалто совершили прорыв, впервые в истории соединив такой кристалл с внешним устройством — механическим осциллятором.
Для создания кристалла времени учёные использовали радиоволны, которые впрыскивали магноны (квазичастицы, представляющие собой кванты коллективных колебаний магнитного момента в упорядоченной среде) в сверхтекучий гелий-3, охлаждённый до температуры около 10 микрокельвин. Такой сверхнизкий температурный режим был достигнут с помощью двухступенчатой системы: сначала использовался криостат на основе разбавления, затем — ядерное адиабатическое размагничивание, что обеспечило стабильность сверхтекучей фазы и минимизировало тепловые флуктуации. В сверхтекучем гелии-3, благодаря сильному взаимодействию спинов атомов, образуется конденсат магнонов — множество частиц, находящихся в одном квантовом состоянии. Когда подача радиоволн прекращалась, этот конденсат самопроизвольно начинал осциллировать с постоянной частотой, образуя «временную решётку» — кристалл времени, который продолжал своё движение до 108 циклов (несколько минут), прежде чем затухнуть до нерегистрируемого уровня.
Главное достижение команды под руководством научного сотрудника Йере Мякинена заключается в том, что им удалось заставить затухающий кристалл времени взаимодействовать с механическим осциллятором. Характер этого взаимодействия зависел от частоты и амплитуды осциллятора. Ранее считалось, что кристаллы времени невозможно подключить к внешним системам, так как любое наблюдение или внешнее воздействие разрушает их неустойчивое состояние.
Учёные обнаружили, что изменения частоты кристалла времени полностью аналогичны оптомеханическим явлениям, которые используются, например, в обсерватории LIGO для обнаружения гравитационных волн. Это открытие даёт возможность контролировать и настраивать свойства кристаллов времени — то, что ранее было недоступно.
Потенциальные применения технологии впечатляют: кристаллы времени существуют на порядки дольше, чем современные квантовые системы. Их можно использовать для создания сверхточных датчиков и значительного улучшения памяти квантовых компьютеров. Работа, опубликованная в Nature Communications, проводилась с использованием оборудования национальной инфраструктуры Финляндии для нано-, микро- и квантовых технологий OtaNano.
Источник: Scientists connect “time crystal” to real device in quantum breakthrough