Физики создали первую в мире наблюдаемую систему из двух темпоральных кристаллов, что долгое время считалось физически невозможным. Открытие, сделанное международной группой ученых, опубликовано в журнале Nature Communications.
Концепцию квантового временно́го, или темпорального, кристалла предложил физик-теоретик и лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек в 2012 году. Она предполагает существование объекта, атомы которого находятся в постоянном движении, повторяя различные свои конфигурации с определенной периодичностью во времени и при этом не получая энергию извне. Это свойство называется нарушением инвариантности (симметрии) относительно сдвига времени. Прямое наблюдение такого движения невозможно, поскольку это действие предполагает внесение в систему энергии, то есть создание темпорального кристалла требует полной изоляции от окружающей среды, включая наблюдателя.
В эксперименте, проведенном исследователями Ланкастерского университета, Лондонского университета, Института Ландау в Москве и Университета Аалто в Хельсинки, удалось создать наблюдаемую квантовую систему, которая существует в суперпозиции состояний двух временных кристаллов. Такая система может рассматриваться как кубит — наименьшая единица информации в квантовом компьютере. Каждый темпоральный кристалл состоял из триллиона квазичастиц, называемых магнонами, в сверхтекучей фазе изотопа гелия-3, содержащегося внутри кварцевого цилиндра. Магнон представляет собой элементарное возбуждение (квант) системы из взаимодействующих спинов электронов, то есть является волной из меняющих магнитный момент частиц. Магноны внутри гелия-3 возникали как кванты поперечных волн, влияющие на результирующую намагниченность, которая прецессировала во внешнем магнитном поле.
Схема формирования темпорального кристалла
Темпоральный кристалл отмечен как синяя капля внутри заполненного сверхтекучим гелием-3 контейнера. Кольцо провода, отмеченное зеленым цветом, создает статическое магнитное поле, а прецессия намагниченности (фиолетовый конус) наблюдается с помощью двух вертикальных катушек по бокам. Изображение: nature.com
При достаточно высокой плотности магнонов и низкой температуре гелия-3 (охлажденного до примерно одной десятитысячной градуса от абсолютного нуля) магноны формировали конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние вещества, при котором все составляющие его частицы (в данном случае магноны) занимают одни и те же энергетические состояния и ведут себя как квантовый объект, обладающий единым спином. В этом случае прецессия спина магнонного конденсата проявляется как периодическое движение, характерное для темпорального кристалла.
Оба темпоральных кристалла представляли собой «капли», располагающиеся одна над другой в объеме гелия-3, при этом вторая «капля» находилась у поверхности сверхтекучей жидкости. Ученые продемонстрировали, что система из двух когерентно взаимодействующих кристаллов демонстрируют свойства, характерные для типичной квантовой системы с двумя состояниями. Авторы работы полагают, что такие двухуровневые системы можно создать и при комнатной температуре, например, на основе магнонов в пленках железо-иттриевого граната, что полезно для разработки новых методов квантовой обработки информации без использования экстремального охлаждения.