Mi is az az időkristály?
Míg a hagyományos kristályok térben ismétlődő atomrácsokból állnak, addig az időkristályok nem helyben, hanem időben mutatnak periodikus szerkezetet. Az időbeli visszatérésük magától alakul ki, nincs szükségük folyamatos külső ráhatásra – szemben például egy inga vissza-visszatérő mozgásával, amelyet a gravitációs erő tart fenn. Az időkristály viszont spontán rendeződik adott időközönként ugyanabba az állapotba.
Az időkristályok rendkívül érzékeny, törékeny rendszerek, ezért hosszabb távon történő hasznosításuk eddig kihívásnak bizonyult. Nem elhanyagolható tényező, hogy most először sikerült úgy mechanikai hullámokat csatolni az időkristályhoz, miközben annak szerkezete fennmaradt.
Kísérlet szuperfolyékony héliummal
A kutatók magnonok, azaz spint hordozó kvázirészecskék felhasználásával hoztak létre időkristályt. Ezeket szuperfolyékony hélium-3-ban állították elő, amelyben az atommagok sajátos elrendezése miatt nem semlegesítik egymás spinjét. A héliumot extrém alacsony hőmérsékletre hűtötték, hogy az atomok úgynevezett Cooper-párokká alakuljanak, így megszűnik a folyadék viszkozitása.
A mechanikai hullám segítségével „felkevert” szuperfolyékony hélium-3 egészen különleges jelenséget produkált: a mechanikus felület hullámai befolyásolták az ottani kvázirészecskék „forgását”, ezáltal módosítva az időkristály periodicitását. Ebből adódóan sikerült elérni, hogy az időkristály percekig életben maradjon, miközben a hullám hatását is megőrizze.
Mire jó ez a kvantumszámítógépekben?
A kvantumszámítógépekben az információ nem a hagyományos 0 vagy 1 beállításban, hanem szuperpozícióban létező bitek, azaz qubitek formájában van jelen. Az adattárolás egyik kritikus feltétele, hogy a qubit állapotának kvantumjellege ne vesszen el – viszont a környezeti zavarok, hő- vagy elektromos zaj rögtön „eldöntik” az állapotot, és ezzel elveszik a kvantuminformáció. Jelenleg ezek az adatok legfeljebb néhány ezredmásodpercig maradnak épek.
Ezzel szemben az időkristályba „írható” adatokat sikerült percekig megőrizni – azaz a magnon-időkristály frekvenciája lenyomatként őrzi meg az információt. A hosszabb adattárolási idő lehetővé teszi a bonyolultabb kvantumszámítási műveleteket.
Újszerű párhuzamok és további lehetőségek
Érdekes párhuzam, hogy a kutatók az időkristály-hullám kölcsönhatásokban több hasonlóságot találtak az optomechanikával – vagyis amikor a fény és egy mechanikus rezgő test egymásra hatnak. Ilyen a tankönyvi példa is, amikor egy foton „odacsapódik” egy rugón függő tükörhöz.
Az optomechanika már jól feltárt elméleti kereteket nyújt, így ezek átemelhetők az időkristályos rendszerekre is. Ez nem elhanyagolható: ezzel felgyorsítható a kvantumjelenségek megértése. A kutatók a jövőben még extrémebb, például nanoméretű mechanikai csatolásokkal is kísérleteznének, hogy közelebb jussanak a kvantumhatárokhoz.
A felfedezés komoly lépés lehet a tartós kvantummemória és a fejlett kvantumérzékelés, illetve -vezérlés irányába. Az elért eredmények új utakat nyitnak meg a nemegyensúlyi fizikai rendszerek kutatásában, és lenyűgöző jövőt vetítenek előre a kvantumtechnológiák területén.
