Natuurkundigen nemen nieuwe temporele fase waar: het 'rondeau'-tijdkristal

Natuurkundigen observeren een nieuwe temporele fase: het 'rondeau'-tijdkristal

Samenvatting

Onderzoekers rapporteren een experimentele realisatie van een temporele fase die zij het "rondeau"-kristal noemen. Het systeem vertoont een stabiel, herhaalbaar patroon wanneer het eenmaal per aandrijfcyclus wordt bemonsterd, terwijl het bewust gevarieerde, kortstondige wanorde tussen die bemonsteringspunten toelaat. Het experiment maakte gebruik van koolstof-13 kernspins in diamant en gemanipuleerde microgolfpulssequenties om het ritme te stabiliseren.

Wat is een tijdkristal?

Een tijdkristal is een niet-evenwichtsfase waarin een aangedreven veeldeeltjessysteem een aanhoudende temporele orde vertoont die de tijd-translatiesymmetrie van de aandrijving doorbreekt. In dit geval combineert het rondeau-kristal een langlevende herhaling van cyclus naar cyclus met gecontroleerde variatie binnen de cyclus.

Experimenteel platform en methoden

Het experiment maakte gebruik van een diamant-kwantumsimulatorplatform met stikstof-vacature-defecten (NV-defecten) gekoppeld aan van nature voorkomende koolstof-13 kernspins. Optische en microgolfcontrole werden toegepast om het koolstof-13 ensemble te hyperpolariseren en de collectieve spindynamica met hoge getrouwheid uit te lezen.

Onderzoekers programmeerden gemanipuleerde aandrijfsequenties — inclusief strikt periodieke, quasi-periodieke en opzettelijk gerandomiseerde structuren binnen de cyclus — met behulp van een willekeurige golfvormgenerator om de timing en vorm van de microgolfpulsen te regelen. Door de collectieve spinrespons over vele aandrijfcycli te meten, identificeerde het team een langlevende stroboscopische orde, ondanks ruisige micromotion binnen individuele cycli.

Belangrijkste waarnemingen

• Wanneer de collectieve spinconfiguratie eenmaal per aandrijfcyclus werd waargenomen, herhaalde deze zich met hoge getrouwheid, wat stroboscopische orde aantoont.
• Wanorde die binnen elke cyclus werd geïntroduceerd, vernietigde het langdurig herhalende patroon niet wanneer metingen stroboscopisch werden uitgevoerd.
• Stroboscopische levensduren overschreden in sommige runs de vier seconden, wat overeenkomt met waarnemingen over meer dan honderd aandrijfperioden en spectrale analyse van de dynamica mogelijk maakt.

Betekenis en potentiële toepassingen

Beperkingen en toekomstige richtingen

De demonstratie is eerder een bewijs van principe dan een kant-en-klare technologie. Het steunde op zorgvuldige hyperpolarisatie, ruisarme microgolfcontrole en nauwkeurige uitlezing. Hoewel de coherentietijden lang waren voor een veeldeeltjes-vastestofensemble bij kamertemperatuur, blijven ze kort in vergelijking met gemanipuleerde qubit-geheugens. Toekomstig werk zou andere gastmaterialen, alternatieve spinsoorten en verbeterde besturingselektronica kunnen onderzoeken om levensduren te verlengen en de gevoeligheid te vergroten.

Bredere implicaties

Conceptueel illustreert het rondeau-kristal dat temporele symmetriebreking een gelaagde structuur kan ondersteunen: stabiele orde op grove tijdschalen die samenleeft met opzettelijke wanorde op fijnere schalen. Dit weerspiegelt fenomenen in ruimtelijke materialen waar sommige vrijheidsgraden geordend zijn terwijl andere ongeordend zijn, en het suggereert nieuwe manieren om informatie en coherent gedrag in aangedreven kwantumsystemen te organiseren.

Vooruitblik

De waarneming van een rondeau-tijdkristal biedt een nieuw platform voor het bestuderen van niet-evenwichtfasen en voor het ontwikkelen van controletechnieken die gebruikmaken van temporele structuur. Om deze bevindingen om te zetten in praktische sensoren of informatieverwerkende hulpmiddelen, zijn verdere verbeteringen in materialen en controle nodig om langere coherentietijden en grotere robuustheid te bereiken.