Впервые в истории физикам удалось создать два стабильно взаимодействующих временных кристалла в сверхтекучем гелии, при этом здесь наблюдается феномен, нетипичный для подобных систем в виде эффекта Джозефсона. Результаты данной работа опубликованы в журнале Nature Materials. Кристаллы, системы, демонстрирующие полное воспроизведение своей структуры при пространственных преобразованиях, являются объектом пристального изучения и широкого применения в различных технологиях. В 2012 году лауреат Нобелевской премии Франк Вильчек выдвинул концепцию «кристалла времени», характеризующегося периодическим повторением своего состояния во времени. Простейшей аналогией такому кристаллу может служить идеальный маятник. Однако, в простых механических системах колебания быстро затухают, что исключает возможность их классификации как временных кристаллов. Свойство системы сохранять состояние называется когерентностью, то есть временные кристаллы теоретически могут возникать только в когерентных системах.
Иллюстрация: S. Autti et al. / Nature Materials
Ярким примером таких систем является сверхтекучий конденсат Бозе — Эйнштейна, состоящий из охлажденных бозонов в когерентном состоянии. Ранее физикам удавалось создать временной кристалл в сверхтекучих газах, но создание и взаимодействие нескольких кристаллов до сих пор оставалось открытой задачей.
Физики из Великобритании, России, США и Финляндии под руководством доктора Владимира Ельцова (Vladimir Eltsov) впервые экспериментально создали два временных кристалла в одной сверхтекучей системе. Более того, ученые заставили кристаллы взаимодействовать и обнаружили необычный для временных кристаллов эффект Джозефсона.
Авторы исследовали магноны (квазичастицы спиновых возбуждений) в сверхтекучем гелии-3, охлажденном до 130 микрокельвин. Такая низкая температура, почти в 100 раз ниже температуры, при которой работает сверхпроводящих квантовый компьютер, была получена при помощи специально разработанного криостата растворения в университете Аалто.
Криостат растворения в университете Аалто. Aalto University/Mikko Raskinen
Временные кристаллы создавались в ловушке в сверхтекучем гелии-3, которая содержала пространственно разделенные бозе-эйнштеновские конденсаты. Магноны в конденсатах и представляли собой временные кристаллы. Варьируя внешнее магнитное поле физикам удалось переместить часть магнонов из одного конденсата в другой, заставляя, таким образом, временные кристаллы взаимодействовать.
Схема экспериментальной установки внутри рефрижератора. S. Autti et al. / Nature Materials
В процессе взаимодействии двух систем физики измеряли кристаллы и обнаружили колебания заселенностей в кристаллах с противоположной фазой — эффект, известный как переменный эффект Джозефсона. При этом коденсаты сохраняли свои когерентные свойства и не переставали быть временными кристаллами.
Кристаллы времени имеют большой потенциал для практического применения. Их можно использовать, например, для улучшения атомных часов и гироскопов. Также в своей работе физики предполагают, что временные кристаллы можно использовать для квантовой обработки информации, ведь они естественным образом обладают самым критичным для квантового компьютера ресурсом — когерентностью.
В 2016 году физики впервые создали кристалл времени, тогда эта работа попала на обложку Nature. А в 2018 году мы писали о том, как ученые создали первый временной кристалл в бозе-конденсате.
Автор: Михаил Перельштейн
Источник: https://nplus1.ru/
