Αναπτύξτε κρυστάλλους χρόνου για χρήση σε πραγματικές εφαρμογές

Οι κρύσταλλοι χρόνου που επιμένουν επ ‘αόριστον σε θερμοκρασία δωματίου μπορούν να έχουν εφαρμογές στην ακριβή μέτρηση του χρόνου.

Όλοι έχουμε δει κρυστάλλους, είτε είναι κόκκος αλατιού είτε ζάχαρης, είτε περίτεχνος και όμορφος αμέθυστος. Αυτοί οι κρύσταλλοι αποτελούνται από άτομα ή μόρια που επαναλαμβάνονται σε ένα συμμετρικό τρισδιάστατο σχέδιο που ονομάζεται πλέγμα, όπου τα άτομα καταλαμβάνουν ορισμένα σημεία στο χώρο. Σχηματίζοντας ένα περιοδικό πλέγμα, τα άτομα άνθρακα στο διαμάντι, για παράδειγμα, σπάζουν τη συμμετρία του χώρου στον οποίο κάθονται. Οι φυσικοί το ονομάζουν αυτό «σπάσιμο συμμετρίας».

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν πρόσφατα ότι ένα παρόμοιο αποτέλεσμα μπορεί να παρατηρηθεί στον χρόνο. Η διακοπή συμμετρίας, όπως υποδηλώνει το όνομα, μπορεί να εμφανιστεί μόνο εάν υπάρχει κάποιο είδος συμμετρίας. Στον τομέα του χρόνου, μια περιοδικά μεταβαλλόμενη δύναμη ή πηγή ενέργειας παράγει φυσικά ένα μοτίβο χρόνου.

Το σπάσιμο της συμμετρίας συμβαίνει όταν ένα σύστημα που οδηγείται από αυτή τη δύναμη βιώνει μια στιγμή déjà vu, αλλά Δεν Με την ίδια περίοδο ισχύος. Οι «κρύσταλλοι του χρόνου» έχουν επιδιωχθεί την τελευταία δεκαετία ως μια νέα φάση της ύλης και έχουν παρατηρηθεί πρόσφατα κάτω από περίπλοκες πειραματικές συνθήκες σε απομονωμένα συστήματα. Αυτά τα πειράματα απαιτούν εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες ή άλλες αυστηρές συνθήκες για την ελαχιστοποίηση των ανεπιθύμητων εξωτερικών επιδράσεων.

Για να μάθουν οι επιστήμονες περισσότερα για τους κρυστάλλους χρόνου και να αξιοποιήσουν τις δυνατότητές τους στην τεχνολογία, πρέπει να βρουν τρόπους να παράγουν και να διατηρούν σταθερές τις κρυσταλλικές καταστάσεις του χρόνου έξω από το εργαστήριο.

Έρευνα αιχμής με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Riverside και δημοσιεύτηκε αυτή την εβδομάδα στο Επικοινωνίες για τη φύση Τώρα παρατηρήστε τους κρυστάλλους χρόνου σε ένα σύστημα που δεν είναι απομονωμένο από το περιβάλλον του. Αυτό το σημαντικό επίτευγμα φέρνει τους επιστήμονες ένα βήμα πιο κοντά στην ανάπτυξη κρυστάλλων χρόνου για χρήση σε πραγματικές εφαρμογές.

«Όταν το πειραματικό σας σύστημα έχει μια ανταλλαγή ενέργειας με το περιβάλλον του, η διάχυση και ο θόρυβος λειτουργούν παράλληλα για να καταστρέψουν τη χρονική τάξη», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Hossein Taheri, επίκουρος καθηγητής Ηλεκτρολογίας και Μηχανικής Υπολογιστών στο Marlan and Rosemary Burns. Κολλέγιο Μηχανικών. “Στην οπτική μας πλατφόρμα, το σύστημα επιτυγχάνει μια ισορροπία μεταξύ κέρδους και απώλειας για τη δημιουργία και τη διατήρηση κρυστάλλων χρόνου.”

Προωθώντας την ιδέα που διατύπωσε ο νομπελίστας Frank Wilczek πριν από μια δεκαετία, μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Riverside, Hossein Taheri, έδειξε νέους κρυστάλλους χρόνου που επιμένουν επ ‘αόριστον σε θερμοκρασία δωματίου, παρά τον θόρυβο και την απώλεια ενέργειας.

Η ολοφωτονική κρυστάλλωση χρόνου επιτυγχάνεται με τη χρήση δισκοειδούς αντηχείου γυαλιού φθοριούχου μαγνησίου με διάμετρο ενός χιλιοστού. Όταν βομβαρδίστηκαν δύο ακτίνες λέιζερ, οι ερευνητές παρατήρησαν υπο-αρμονικές αιχμές ή τόνους συχνότητας μεταξύ των δύο ακτίνων λέιζερ, υποδεικνύοντας ένα διάλειμμα στη χρονική συμμετρία και τη δημιουργία κρυστάλλων χρόνου.

Η ομάδα υπό την ηγεσία του UCR χρησιμοποίησε μια τεχνολογία που ονομάζεται κλειδαριά αυτοέγχυσης λέιζερ στο αντηχείο για να επιτύχει ανθεκτικότητα έναντι των περιβαλλοντικών επιρροών. Οι υπογραφές κατάστασης επανάληψης χρόνου αυτού του συστήματος μπορούν εύκολα να μετρηθούν στον τομέα συχνότητας. Η προτεινόμενη πλατφόρμα απλοποιεί έτσι τη μελέτη αυτής της νέας φάσης του ζητήματος.

Χωρίς την ανάγκη για χαμηλότερη θερμοκρασία, το σύστημα μπορεί να μετακινηθεί έξω από ένα πολύπλοκο εργαστήριο για εφαρμογές πεδίου. Μια τέτοια εφαρμογή μπορεί να είναι πολύ ακριβείς μετρήσεις του χρόνου. Επειδή η επανάληψη και ο χρόνος είναι μια μαθηματική αντανάκλαση του άλλου,[{” attribute=””>accuracy in measuring frequency enables accurate time measurement.

“We hope that this photonic system can be utilized in compact and lightweight radiofrequency sources with superior stability as well as in precision timekeeping,” said Taheri.

Reference: “All-optical dissipative discrete time crystals” by Hossein Taheri, Andrey B. Matsko, Lute Maleki and Krzysztof Sacha, 14 February 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28462-x

Taheri was joined in the research by Andrey B. Matsko at NASA’s Jet Propulsion Laboratory, Lute Maleki at OEwaves Inc. in Pasadena, Calif., and Krzysztof Sacha at Jagiellonian University in Poland.