Natuurkundigen van Harvard hebben een nieuwe vorm van materie gecreëerd - een tijdkristal genaamd - die belangrijke inzichten zou kunnen bieden in het mysterieuze gedrag van kwantumsystemen.

Traditioneel gesproken, kristallen - zoals zout, suiker of zelfs diamanten - zijn gewoon periodieke rangschikkingen van atomen in een driedimensionaal rooster.

Tijd kristallen, anderzijds, neem dat idee van periodiek gerangschikte atomen en voeg een vierde dimensie toe, wat suggereert dat - onder bepaalde omstandigheden - de atomen die sommige materialen in de loop van de tijd een periodieke structuur kunnen vertonen.

Onder leiding van professoren natuurkunde Mikhail Lukin en Eugene Demler, een team bestaande uit postdoctorale fellows Renate Landig en Georg Kucsko, Junior Fellow Vedika Khemani, en Physics Department afgestudeerde studenten Soonwon Choi, Joonhee Choi en Hengyun Zhou bouwden een kwantumsysteem met behulp van een klein stukje diamant ingebed met miljoenen onzuiverheden op atomaire schaal, bekend als stikstof-vacature (NV) centra. Vervolgens gebruikten ze microgolfpulsen om het systeem uit evenwicht te "schoppen", waardoor de spins van het NV-centrum met precies getimede intervallen omslaan - een van de belangrijkste markeringen van een tijdkristal. Het werk wordt beschreven in een paper gepubliceerd in Natuur in maart.

Andere co-auteurs van de studie zijn Junichi Isoya, Shinobu Onoda, en Hitoshi Sumiya van de Universiteit van Tsukuba, Takasaki Advanced Research Institute en Sumitomo, Fedor Jelezko van de Universiteit van Ulm, Curt von Keyserlingk van Princeton University en Norman Y. Yao van UC Berkeley.

Maar de creatie van een tijdkristal is niet alleen belangrijk omdat het bewijst dat de voorheen alleen theoretische materialen kunnen bestaan, Lukin zei, maar omdat ze natuurkundigen een prikkelend inzicht bieden in het gedrag van dergelijke systemen die niet in evenwicht zijn.

"Er is nu brede, doorlopend werk om de fysica van niet-evenwichtige kwantumsystemen te begrijpen, " zei Lukin. "Dit is een gebied dat van belang is voor veel kwantumtechnologieën, omdat een kwantumcomputer in feite een kwantumsysteem is dat ver verwijderd is van evenwicht. Het bevindt zich heel erg op de grens van onderzoek... en we zijn nog maar net aan de oppervlakte."

Maar hoewel het begrijpen van dergelijke niet-evenwichtssystemen onderzoekers zou kunnen helpen op het pad naar kwantumcomputing, de technologie achter tijdkristallen heeft mogelijk ook meer toepassingen op korte termijn.

"Een specifiek gebied waar we denken dat dit nuttig kan zijn, en dit was een van onze oorspronkelijke motivaties voor dit werk, is in precisiemeting, " zei Lukin. "Het blijkt, als u probeert te bouwen ... bijvoorbeeld, een magneetveldsensor, u kunt NV-center spins gebruiken, "zei hij. "Dus het is mogelijk dat deze niet-evenwichtstoestanden van materie die we creëren nuttig kunnen blijken te zijn."

Het idee dat zulke systemen überhaupt gebouwd kunnen worden, echter, leek aanvankelijk onwaarschijnlijk. In feite meerdere onderzoekers (namen zijn Patrick Bruno, Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa) ging zelfs zo ver om te bewijzen dat het onmogelijk zou zijn om een ​​tijdkristal te creëren in een kwantumsysteem dat in evenwicht was.

"De meeste dingen om ons heen zijn in evenwicht, " legde Lukin uit. "Dat betekent dat als je een warm lichaam en een koud lichaam hebt, als je ze samenbrengt, hun temperatuur zal gelijk worden. Maar niet alle systemen zijn zo."

Een van de meest voorkomende voorbeelden van een materiaal dat uit evenwicht is, hij zei, is iets dat veel mensen dagelijks dragen - diamant.

Een gekristalliseerde vorm van koolstof die zich vormt onder intense hitte en druk, diamant is ongebruikelijk omdat het metastabiel is, wat betekent dat als het eenmaal die kristalvorming aanneemt, dat zal zo blijven, zelfs nadat de hitte en druk zijn verwijderd.

Het is nog maar heel recent, Lukin zei, dat onderzoekers begonnen te beseffen dat niet-evenwichtssystemen - met name die die bekend staan ​​als "aangedreven" systemen, die onderzoekers kunnen "schoppen" met periodieke energiepulsen, kan de kenmerken van een tijdkristal vertonen.

Een van die kenmerken, hij zei, is dat de reactie van het kristal in de loop van de tijd robuust zal blijven met betrekking tot verstoringen.

"Een vast kristal is stijf... dus als je erop drukt, misschien verandert de afstand tussen atomen een beetje, maar het kristal zelf overleeft, " zei hij. "Het idee van een tijdkristal is om dat soort orde in een tijdsdomein te hebben, maar het moet robuust zijn."

Een ander belangrijk ingrediënt is dat als je een systeem uit evenwicht blijft duwen, het begint op te warmen, maar het blijkt dat er een klasse van systemen is die bestand is tegen deze verwarming, Lukin voegde eraan toe. "Het blijkt dat het tijdkristaleffect sterk gerelateerd is aan het idee dat een systeem opgewonden is, maar het absorbeert geen energie."

Om zo'n systeem te bouwen, Lukin en collega's begonnen met een klein stukje diamant dat was ingebed met zoveel NV-centra dat het zwart leek.

"We onderwerpen die diamant aan microgolfpulsen, die de oriëntatie van de spins van de NV-centra veranderen, " legde Lukin uit. "Dat neemt in feite alle spins die naar boven zijn gericht en draait ze naar beneden, en een volgende puls brengt ze weer omhoog."

Om de robuustheid van het systeem te testen, Lukin en collega's varieerden de timing van de pulsen om te zien of het materiaal zou blijven reageren als een tijdkristal.

"Als je niet alle spins elke keer volledig naar boven of naar beneden oriënteert, dan heel snel je zult eindigen met een volledig willekeurig systeem, " zei Lukin. "Maar de interacties tussen de NV-centra stabiliseren de respons:ze dwingen het systeem om periodiek te reageren, tijd kristallijne manier."

Dergelijke systemen kunnen uiteindelijk van cruciaal belang zijn bij de ontwikkeling van bruikbare kwantumcomputers en kwantumsensoren, Lukin zei, omdat ze aantonen dat twee kritische componenten - lange kwantumgeheugentijden en een zeer hoge dichtheid van kwantumbits - elkaar niet uitsluiten.

"Voor veel toepassingen wil je beide, " zei Lukin. "Maar deze twee vereisten zijn meestal tegenstrijdig ... dit is een bekend probleem. Het huidige werk laat zien dat we de gewenste combinatie kunnen bereiken. Er is nog veel werk aan de winkel, maar we denken dat deze effecten ons in staat kunnen stellen een nieuwe generatie kwantumsensoren te maken, en zou op de lange termijn mogelijk andere toepassingen kunnen hebben voor zaken als atoomklokken."