Учёные из США создали первую в мире квазивременную кристаллическую структуру

Фото из открытых источников

Учёные из Вашингтонского университета в Сент-Луисе создали первую в мире квазивременную кристаллическую структуру — новую фазу материи, которая расширяет границы понимания времени и движения. Открытие, результаты которого были опубликованы в журнале Physical Review X, может привести к прорыву в области квантовых вычислений и создания высокочувствительных датчиков.

В основе открытия лежит процесс воздействия мощных пучков азота на крошечный алмаз диаметром всего один миллиметр. При этом некоторые атомы углерода были вытеснены, создавая в кристаллической решётке пустоты размером с атом, где электроны могли свободно перемещаться и вступать в квантовые взаимодействия со своими соседями. Эти изменения позволили сформировать уникальную структуру, которая обладает свойствами временного квазикристалла.

Обычные кристаллы известны своей высокоорганизованной внутренней структурой, в которой атомы расположены в строгом порядке, повторяющемся в пространстве. Временные кристаллы, впервые открытые в 2016 году, обладают аналогичной периодичностью, но в четвёртом измерении — времени. Их атомы вибрируют с постоянной частотой, создавая устойчивый ритм, который можно сравнить с автономными часами, не требующими внешнего воздействия для поддержания своего хода.

Однако временные квазикристаллы, созданные группой учёных под руководством Гуанхуэя Хэ, ведут себя иначе. Они демонстрируют порядок без пространственной периодичности, что делает их уникальными среди других известных фаз материи. Как объясняет один из авторов работы, Чонг Зу, структура временного квазикристалла больше напоминает музыкальный аккорд, где несколько частот звучат одновременно, создавая сложный и гармоничный узор.

Для запуска ритмов в созданных структурах команда использовала микроволновые импульсы, которые стабилизировали временную структуру. Этот подход также позволил учёным разработать алмазный квантовый микроскоп, необходимый для детального изучения столь крошечных образцов.

Потенциальные приложения временных квазикристаллов весьма многообещающи. Они могут обеспечить новую степень стабильности и энергоэффективности для квантовых компьютеров, где требуется долговременное хранение квантовой информации. Кроме того, такие структуры способны работать в качестве высокоточных датчиков, чувствительных к тончайшим изменениям магнитных полей и других квантовых явлений. Ещё одной интересной возможностью является создание новых стандартов измерения времени, так как квазикристаллы могут поддерживать постоянную частоту с минимальными потерями энергии.

Хотя до практического применения временных квазикристаллов ещё предстоит проделать значительный путь, их создание представляет собой важный шаг вперёд в понимании квантовых систем и открывает двери для дальнейших исследований в области фундаментальной физики и передовых технологий.