Физики соединили два кристалла времени в невозможном ранее эксперименте

Кристаллы времени совсем недавно превратились из научной концепции в реальность. По сути они представляют собой системы, в которых нарушена симметрия относительно сдвига времени, потому даже в состоянии наименьшей энергии в темпоральном кристалле продолжается периодическое движение.

Это противоречит законам термодинамики, согласно которым в равновесной системе неизбежно нарастает энтропия. Но вот законы квантовой механики, напротив, не позволяют кристаллу полностью остановится, и он словно застревает в бесконечном цикле движений.

Все это делает темпоральный кристалл чем-то вроде вечного двигателя, существование которого невозможно в классической физике, но допустимо на квантовом уровне.

Однако проблема кристалла времени, как и любой квантовой системы, заключается в том, что он разрушается от любого контакта с окружающей средой, в том числе – от наблюдений извне. Грубо говоря, темпоральный кристалл существует, только пока вы не смотрите на него.

Теперь ученым удалось соединить в единую систему два кристалла времени. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Nature Communications.

Для создания кристаллов использовались магноны – квазичастицы, представляющие собой элементарное возбуждение системы взаимодействующих спинов нескольких атомов. В эксперименте задействовали стабильный изотоп гелия – гелий-3 или сверхтекучий гелий, который состоит из двух протонов и одного нейтрона. 

Вещество охладили почти до одной десятитысячной градуса выше абсолютного нуля (–273,15 °С). 

При этой температуре оно перешло в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна. Атомы оказались в своих минимально возможных квантовых состояниях, а все спины электронов гелия-3 объединились и образовали магноны, которые не прекращали периодического движения и по сути являлись кристаллом времени.

При этом внутри сверхтекучего гелия создали не один, а сразу два кристалла времени и разместили достаточно близко, чтобы они могли оказывать влияние друг на друга. В итоге получилась макроскопическая двухуровневая система, в которой оба уровня развиваются во времени каждый в своем направлении. При этом магноны в системе могут перемещаться с основного уровня на возбужденный счет эффекта Ландау-Зинера и колебаний частоты Раби.

Одним из важных результатов стала возможность наблюдения всех аспектов квантово-когерентных взаимодействий в системе всего за один запуск эксперимента.

В дальнейшем физики планируют продолжить объединение таких систем, в том числе с целью обнаружения майорановских фермионов, а также технологического использования явления когерентных магнонов. Конечной же целью являются двухуровневые темпоральные кристаллы, которые способны взаимодействовать с окружающей средой без потери квантового состояния.

Другими словами, ученые стремятся создать кристалл времени, который будет сохранять внутреннее движение, пока он задействован для чего-то другого – например, для наблюдений или квантовых вычислений.

И хотя вечное движение в темпоральном кристалле не обладает кинетическим потенциалом, такая система может стать идеальным вечным двигателем для квантовых компьютеров будущего. Этому способствует и то, что в перспективе темпоральные кристаллы смогут существовать при комнатной температуре, а значит, отпадет необходимость в громоздких системах охлаждения, которые используются сейчас.