Een tijdkristal is een unieke en exotische fase van materie die voor het eerst werd voorspeld door de Amerikaanse natuurkundige Frank Wilczek in 2012. Tijdkristallen zijn tijdelijke analogen van meer conventionele ruimtekristallen. omdat beide gebaseerd zijn op structuren die worden gekenmerkt door zich herhalende patronen.

In plaats van repetitieve patronen te vormen in de driedimensionale (3D) ruimte, zoals ruimtekristallen doen, tijdkristallen worden gekenmerkt door veranderingen in de tijd die plaatsvinden in een vast patroon. Hoewel sommige onderzoeksteams deze exotische fasen van materie hebben kunnen realiseren, tot dusver, deze realisaties zijn alleen gerealiseerd met gesloten systemen. Dit riep de vraag op of tijdkristallen ook in open systemen gerealiseerd konden worden, in aanwezigheid van dissipatie en decoherentie.

Onderzoekers van het Institute of Laser Physics van de Universiteit van Hamburg hebben onlangs voor het eerst een tijdkristal in een open kwantumsysteem gerealiseerd. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor de studie van exotische fasen van materie in kwantumsystemen.

"Het primaire doel van ons onderzoek is om dynamische fasen van materie te onderzoeken die bekend staan ​​om hoe hun eigenschappen in de loop van de tijd op een ordelijke manier veranderen, "Hans Kesler, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Tijdens mijn promotieonderzoek, mijn collega's en ik onderzochten de faseovergang van een homogene BEC naar een zelfgeordende superstralende fase en we bestudeerden hoe het systeem reageert op een uitdoving van de ene stabiele toestand naar de andere."

Aangezien geen enkele fysieke toestand van nature stabiel is, de volgende stap voor het eerdere onderzoek van Keßler en zijn collega's was het onderzoeken van dynamische fasen van materie. Dit zijn in wezen overgangen waardoor materialen hun eigenschappen in de loop van de tijd veranderen.

Het belangrijkste doel van de recente studie van de onderzoekers was om in een laboratoriumomgeving een dissipatief tijdkristal te realiseren. Om dit te doen, ze gebruikten een quantum veellichamensysteem dat sterk gekoppeld was aan een smalbandige optische holte.

"Het was cruciaal voor onze experimenten dat het lichtveld in de resonator en de dichtheid van het veellichamensysteem op dezelfde voet evolueerden, die wordt gegeven door de holtebandbreedte en de frequentie die overeenkomt met een enkele fotonische terugslag, respectievelijk, " legde Keßler uit. "Deze situatie is uniek in ons atoom-holtesysteem en opent de mogelijkheid om dynamische fasen van materie te bestuderen."

Omdat echte fysieke systemen nooit volledig geïsoleerd zijn van hun omgeving, ze zijn vatbaar voor dissipatie (d.w.z. verlies of verspilling van energie). Dit maakt het moeilijk of onmogelijk om kwantumsystemen te realiseren die echt voor willekeurige tijd gesloten zijn. Dit is wat Keßler en zijn collega's uiteindelijk inspireerde om in plaats daarvan te proberen een tijdkristal in een open kwantumsysteem te realiseren.

"Tot dusver, de tijdkristallen die in verschillende groepen werden aangetoond, vereisten een zorgvuldige isolatie van de omgeving, aangezien dissipatie het ongewenste effect heeft van het 'smelten' van die tijdkristallen, "Zei Keßler. "Het unieke aan het tijdkristal in onze atoomholte-opstelling is zijn positieve rol bij het voorkomen van dissipatie, omdat het helpt om de dynamiek van het systeem te stabiliseren. De demonstratie van tijdkristallijne orde in een open systeem is dus de belangrijkste prestatie van onze studie."

De recente studie van dit team van onderzoekers biedt sterk bewijs dat een discreet tijdkristal kan bestaan ​​in een aangedreven en open atoomholtesysteem. Keßler en zijn collega's proberen nu een continu tijdkristal te realiseren met hetzelfde atoomholtesysteem dat ze in hun recente werk hebben gebruikt.

Het belangrijkste verschil tussen dit continue dissipatieve tijdkristal en het discrete dissipatieve tijdkristal, gerealiseerd als onderdeel van hun recente studie, is dat de eerste oscilleert, zelfs in de afwezigheid van een tijdperiodieke aandrijving. Als gevolg van deze oscillatie, het nieuwe kristal dat ze onderzoeken, breekt spontaan een continue tijd-translatiesymmetrie.

"Zoals we hebben voorgesteld voor het scenario dat in ons recente document is geschetst, ons atoomholtesysteem zal overschakelen naar een toestand van materie die wordt gekenmerkt door periodieke oscillaties op een intrinsieke frequentie, Keßler voegde toe. "De relatieve fase van de oscillaties in zo'n tijdkristal zal naar verwachting waarden aannemen tussen 0 en 2pi. Dit is heel anders dan discrete tijdkristallen, waarbij de relatieve fase alleen 0 of pi kan zijn. Op een manier, een ononderbroken tijdkristal is dichter bij een vast kristal omdat ze allebei de continue symmetrie doorbreken.

© 2021 Science X Network