Các nhà vật lý vừa có một bước tiến đáng kinh ngạc đối với các thiết bị lượng tử trông giống như một thứ gì đó trong khoa học viễn tưởng.

Lần đầu tiên, các nhóm hạt biệt lập hoạt động kỳ lạ các trạng thái của vật chất Được gọi là tinh thể thời gian, chúng đã được liên kết thành một hệ thống phức tạp có thể cực kỳ hữu ích Thống kê định lượng.

Sau quan sát đầu tiên về sự tương tác giữa hai tinh thể thời gian, được trình bày chi tiết trong một bài báo cách đây hai năm, đây là bước tiếp theo hướng tới khả năng khai thác tinh thể thời gian cho các mục đích thực tế, chẳng hạn như xử lý thông tin lượng tử.

Các tinh thể thời gian, chỉ mới được phát hiện và chính thức xác nhận cách đây vài năm vào năm 2016, từng được cho là không thể tồn tại về mặt vật lý. Đó là một giai đoạn của vật chất rất giống với các tinh thể thông thường, nhưng có một đặc tính bổ sung, rất kỳ lạ và đặc biệt.

Trong tinh thể thông thường, các nguyên tử được sắp xếp theo cấu trúc mạng ba chiều cố định, chẳng hạn như mạng tinh thể nguyên tử của kim cương hoặc tinh thể thạch anh. Những chiếc kẹp lặp đi lặp lại này có thể khác nhau về cấu hình, nhưng bất kỳ chuyển động nào mà chúng thể hiện đều xuất phát từ lực đẩy bên ngoài.

Trong tinh thể thời gian, các nguyên tử hoạt động hơi khác một chút. Chúng hiển thị các kiểu chuyển động theo thời gian mà không thể dễ dàng giải thích được bằng một tác động hoặc xung lực bên ngoài. Những dao động này – được gọi là “tích tắc” – được khóa ở một tần số đều đặn và xác định.

Về mặt lý thuyết, các tinh thể thời gian đập ở trạng thái năng lượng thấp nhất có thể của chúng – được gọi là trạng thái cơ bản – và do đó ổn định và gắn kết trong thời gian dài. Do đó, khi cấu trúc tinh thể thông thường lặp lại trong không gian, tinh thể thời gian lặp lại trong không gian và thời gian, cho thấy chuyển động ở trạng thái cơ bản vĩnh viễn.

“Mọi người đều biết rằng máy móc chuyển động vĩnh viễn là không thể,” Nhà vật lý và tác giả chính Samuli Autti nói từ Đại học Lancaster ở Vương quốc Anh.

“Tuy nhiên, trong vật lý lượng tử, chuyển động vĩnh viễn miễn là chúng ta nhắm mắt. Bằng cách trượt qua khe này, chúng ta có thể tạo ra các tinh thể thời gian.”

Các tinh thể thời gian mà nhóm nghiên cứu đã được hình thành quasiparticles Chúng được gọi là Magnons. Nam châm không phải là các hạt thực, mà bao gồm sự kích thích tập thể của một điện tử đang quay, giống như một làn sóng truyền qua một mạng lưới các vòng quay.

Magnonit xuất hiện khi heli-3 – một đồng vị bền của heli với hai proton nhưng chỉ có một neutron – được làm lạnh đến một phần mười nghìn độ không tuyệt đối. Điều này dẫn đến cái được gọi là siêu cầu B, là một chất lỏng nhớt, áp suất thấp.

Trong môi trường này, các tinh thể thời gian được hình thành dưới dạng ngưng tụ Bose-Einstein khác biệt về mặt không gian, mỗi tinh thể bao gồm một nghìn tỷ hạt magiê.

một Bình ngưng Bose-Einstein Nó bao gồm các boson được làm lạnh đến một phần nhỏ trên độ không tuyệt đối (nhưng không đến độ không tuyệt đối, tại thời điểm đó các nguyên tử ngừng chuyển động).

Điều này khiến chúng chìm vào trạng thái năng lượng thấp, di chuyển rất chậm và kết hợp với nhau đủ để chồng lên nhau, dẫn đến một đám mây nguyên tử mật độ cao hoạt động giống như một “siêu nguyên tử” hoặc sóng vật chất.

Khi hai viên pha lê được phép tiếp xúc với nhau, chúng đã hoán đổi nam châm. Sự trao đổi này ảnh hưởng đến dao động của mỗi tinh thể thời gian, tạo ra một hệ thống duy nhất với tùy chọn hoạt động ở hai trạng thái riêng biệt.

Trong vật lý lượng tử, những thứ có thể có nhiều hơn một trạng thái tồn tại trong một hỗn hợp của những trạng thái đó trước khi chúng được xếp chồng lên nhau bằng một phép loại suy rõ ràng. Vì vậy, có một tập tin tinh thể thời gian Nó hoạt động trong một hệ thống hai trạng thái Nó cung cấp những lựa chọn mới phong phú làm cơ sở cho các công nghệ dựa trên lượng tử.

Các tinh thể thời gian là một cách hợp lý để sử dụng chúng làm qubit, vì có một số lượng lớn các chướng ngại vật cần giải quyết trước. Nhưng các mảnh bắt đầu rơi ra khỏi vị trí.

Đầu năm nay, một nhóm các nhà vật lý khác đã thông báo rằng họ đã thành công trong việc tạo ra các tinh thể thời gian ở nhiệt độ phòng mà không cần phải cách ly với môi trường xung quanh.

Các tương tác phức tạp hơn giữa các tinh thể thời gian và sự kiểm soát chính xác của chúng sẽ cần được phát triển thêm, cũng như việc theo dõi các tinh thể thời gian tương tác mà không cần đến chất lỏng siêu lạnh. Nhưng các nhà khoa học lạc quan.

“Hóa ra việc đặt hai người họ lại với nhau rất đẹp, ngay cả khi những viên pha lê thời gian không có ở đó ngay từ đầu,” Autti nói. “Và chúng tôi đã biết nó cũng ở đó ở nhiệt độ phòng.”

Tìm kiếm đã được xuất bản trong Nature Communications.