Физики впервые заставили временные кристаллы провзаимодействовать ( 3 фото )

S. Autti et al. / Nature Materials, 2020

Физики впервые создали два взаимодействующих временных кристалла в сверхтекучем гелии и обнаружили несвойственный такой системе эффект Джозефсона. Работа опубликована в журнале Nature Materials.

Кристаллы, системы которые повторяют свою структуру при пространственных сдвигах, хорошо изучены учеными и активно применяются в технологиях. В 2012 году Нобелевский лауреат Франк Вильчек впервые предложил концепцию «кристалла времени» (time crystal), где состояние периодически воспроизводится с течением времени. Простейшим аналогом такого кристалла мог бы быть идеальный маятник, но в простых механических системах колебания быстро затухают и поэтому временными кристаллам они не являются.

Свойство системы сохранять состояние называется когерентностью, то есть временные кристаллы теоретически могут возникать только в когерентных системах. 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, 2020

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.

Михаил Перельштейн