Временным кристаллам нашли применение: сверхточные квантовые часы

Временны́е кристаллы считаются диковинкой квантовой физики, но похоже, им нашли практическое применение. Эти необычные материалы могут быть полезны для создания очень точных часов.

Все кристаллы определяются повторяемостью: обычные состоят из атомов, расположенных в повторяющихся узорах, а временны́е обладают повторяющейся структурой во времени. Наблюдая за таким кристаллом достаточно долго, можно увидеть, как он снова и снова циклически проходит через один и тот же набор конфигураций. Более того, эти колебания возникают спонтанно — не потому, что материал вынужден их поддерживать, а потому что это его предпочтительное фазовое состояние, подобно тому как предпочтительной фазой воды при низкой температуре является лед.

Авторы нового исследования в журнале Physical Review Letters доказали, что некоторые временны́е кристаллы могут стать хорошим строительным блоком для очень точных квантовых часов. Они математически проанализировали систему, состоящую из порядка 100 квантовомеханических частиц, каждая из которых обладает двумя различными состояниями, определяемыми квантовым спином — подобно тому как монета может выпасть той или другой стороной.

Конкретная спиновая система, которую изучали исследователи, может становиться либо временны́м кристаллом, либо пребывать в более обычной фазе без спонтанных временны́х колебаний, и в любой из этих фаз ее можно использовать как часы. Команда рассчитала, как производительность часов, сделанных из спинов — их точность и стабильность, — в фазе временного кристалла будет отличаться от часов, сделанных из спинов в этой «нормальной» фазе.

«В нормальной фазе, если мы хотим измерять более мелкие интервалы времени — мы экспоненциально теряем в точности. В фазе временно́го кристалла при том же временно́м разрешении можно достичь гораздо большей точности», — объясняет Людмила Виотти из Международного центра теоретической физики имени Абдуса Салама в Италии, первый автор статьи.

Хотя часы на основе спина в норме становятся менее точными, если мы, например, хотим измерять секунды вместо минут, этого не происходит, если спины сначала образуют временной кристалл.

Неудивительно, что временной кристалл может стать многообещающей отправной точкой для создания часов, но до сих пор не хватало строгого анализа его преимуществ, говорит физик-теоретик Марк Митчисон из Королевского колледжа в Лондоне. Он и его коллеги ранее показали, что почти любую случайную последовательность событий можно превратить в часы, но система с самоподдерживающимися колебаниями априори больше подходит для этих целей.

«Около 10 лет мы знаем, что временны́е кристаллы могут существовать, но до сих пор неясно, как их использовать. Подобно тому как обычные кристаллы можно использовать и для ювелирных изделий, и для создания компьютерных процессоров, мы хотели бы, чтобы темпоральные кристаллы также стали основой полезных технологий», — надеется профессор Кшиштоф Саха из Ягеллонского университета в Польше.

По его словам, они, скорее всего, не превзойдут нынешние лучшие в мире часы на основе сверхохлажденных атомов, но все равно могут стать альтернативой системам отсчета времени, синхронизирующимся от спутников вроде GPS, уязвимым к злонамеренным действиям.

Часы на временны́х кристаллах также могут стать служить в роли сенсоров магнитных полей, поскольку даже ничтожная напряженность таких полей будет влиять на «тики» таких часов, добавляет Митчисон.

Тем не менее, прежде чем временны́е кристаллы войдут в широкую практику, предстоит еще много работы, признает Виотти. Например, рассмотренную ею с коллегами спиновую систему нужно сравнить с другими системами, ведущими себя как точные часы, и протестировать в эксперименте с реальными спинами.