İki Zaman Kristali İlk Kez Başarılı Bir Şekilde Birbirine Bağlandı

Fizikçiler, kulağa bilimkurgudan fırlamış gibi gelen kuantum cihazlarına doğru inanılmaz bir adım attılar.

İlk kez, zaman kristalleri olarak bilinen, maddenin tuhaf halleri gibi davranan izole parçacık grupları, kuantum hesaplamada inanılmaz derecede faydalı olabilecek, gelişen tek bir sisteme bağlandı.

İki yıl önce bir makalede ayrıntılı olarak açıklanan iki zaman kristali arasındaki etkileşimin ilk gözleminin ardından, bu, kuantum bilgi işleme gibi pratik amaçlar için potansiyel olarak zaman kristallerinden yararlanmaya yönelik bir sonraki adımdır.

Sadece birkaç yıl önce 2016'da resmi olarak keşfedilen ve onaylanan zaman kristallerinin bir zamanlar fiziksel olarak imkânsız olduğu düşünülüyordu.

Düzenli kristallerde atomlar, bir elmas veya kuvars kristalinin atomik kafesi gibi sabit, üç boyutlu bir ızgara yapısında düzenlenir. Bu tekrar eden kafesler konfigürasyonda farklılık gösterebilir, ancak sergiledikleri herhangi bir hareket yalnızca harici itmelerden gelir.

Zaman kristallerinde atomlar biraz farklı davranır. Dıştan bir itme ile kolayca açıklanamayan hareket kalıpları sergilerler. 'Tıklama' olarak adlandırılan bu salınımlar, düzenli ve belirli bir frekansa kilitlenir.

Teorik olarak, zaman kristalleri mümkün olan en düşük enerji durumlarında – temel durum olarak bilinirler – tıklarlar ve bu nedenle uzun süreler boyunca kararlı ve tutarlıdırlar. Böylece sürekli temel durum hareketi sergilerler.

İngiltere'deki Lancaster Üniversitesi'nden fizikçi ve başyazar Samuli Autti, "Herkes sürekli hareket makinelerinin imkânsız olduğunu biliyor" diyor. "Ancak, kuantum fiziğinde sürekli harekette sorun yoktur. Bu çatlaktan gizlice geçerek zaman kristalleri yapabiliriz."

Ekibin üzerinde çalıştığı zaman kristalleri, magnon adı verilen yarı parçacıklardan oluşuyor. Magnonlar gerçek parçacıklar değildir, ancak bir spin kafesi boyunca yayılan bir dalga gibi elektronların spininin toplu bir uyarımından oluşurlar.

Magnonlar, iki protonlu ancak sadece bir nötronlu kararlı bir helyum izotopu olan helyum-3, bir mutlak sıfır derecesinin on binde birine kadar soğutulduğunda ortaya çıkar. Bu, düşük basınçlı sıfır viskoziteli bir sıvı olan B-fazı süper akışkan denilen şeyi yaratır.

Bu ortamda, uzaysal olarak farklı Bose-Einstein kondensatları olarak oluşan zaman kristallerinin her biri bir trilyon magnon yarı parçacıktan oluşur.

Bose-Einstein yoğuşması, mutlak sıfırın sadece bir kısmına soğutulan bozonlardan oluşur (ancak mutlak sıfıra ulaşmaz, bu noktada atomların hareketi durur).

Bu onların en düşük enerji durumlarında, son derece yavaş hareket etmelerine ve bir "süper atom" veya madde dalgası gibi davranan yüksek yoğunluklu bir atom bulutu üretmelerine neden olur.

İki zaman kristalinin birbirine değmesine izin verildiğinde, magnonları değiş tokuş ederler. Bu değiş tokuş, zaman kristallerinin her birinin salınımını etkileyerek, iki ayrı durumda çalışma seçeneğine sahip tek bir sistem yaratır.

Kuantum fiziğinde, birden fazla duruma sahip olabilen nesneler, net bir ölçümle sabitlenmeden önce bu durumların bir karışımında bulunur. Bu nedenle, iki durumlu bir sistemde çalışan bir zaman kristaline sahip olmak, kuantum tabanlı teknolojilerin temeli olarak zengin yeni toplamalar sağlar.

Bu yılın başlarında, farklı bir fizikçi ekibi, ortam sıcaklığından izole edilmesi gerekmeyen oda sıcaklığında zaman kristallerini başarıyla oluşturduklarını açıkladı.

Araştırma Nature Communications'da yayınlandı.