Fizycy zaobserwowali nową fazę czasową: kryształ czasowy „rondeau”

Fizycy zaobserwowali nową fazę czasową: kryształ czasowy typu „rondeau”

Podsumowanie

Badacze donoszą o eksperymentalnej realizacji fazy czasowej, którą nazywają kryształem „rondeau”. System wykazuje stabilny, powtarzalny wzorzec przy próbkowaniu raz na cykl sterujący, dopuszczając jednocześnie celowo wprowadzone, krótkotrwałe nieuporządkowanie pomiędzy punktami próbkowania. W eksperymencie wykorzystano spiny jądrowe węgla-13 w diamencie oraz zaprojektowane sekwencje impulsów mikrofalowych w celu stabilizacji rytmu.

Czym jest kryształ czasowy?

Kryształ czasowy to faza nierównowagowa, w której sterowany układ wielociałowy wykazuje trwałe uporządkowanie czasowe, naruszające symetrię translacji czasowej sterowania. W tym przypadku kryształ rondeau łączy długotrwałą powtarzalność z cyklu na cykl z kontrolowaną zmiennością wewnątrz cyklu.

Platforma eksperymentalna i metody

W eksperymencie wykorzystano platformę symulatora kwantowego opartego na diamencie, zawierającą centra barwne azot-luka (NV) sprzężone z naturalnie występującymi spinami jądrowymi węgla-13. Zastosowano sterowanie optyczne i mikrofalowe w celu hiperpolaryzacji zespołu atomów węgla-13 oraz odczytu kolektywnej dynamiki spinowej z wysoką wiernością.

Badacze zaprogramowali zaprojektowane sekwencje sterujące – w tym struktury wewnątrzcykliczne ściśle periodyczne, kwaziperiodyczne oraz intencjonalnie losowe – używając generatora arbitralnych przebiegów do kontroli czasu i kształtu impulsów mikrofalowych. Poprzez pomiar kolektywnej odpowiedzi spinowej w wielu cyklach sterowania, zespół zidentyfikował długotrwałe uporządkowanie stroboskopowe pomimo szumu w mikroruchach w obrębie poszczególnych cykli.

Kluczowe obserwacje

• Przy obserwacji raz na cykl sterowania, kolektywna konfiguracja spinów powtarzała się z wysoką wiernością, demonstrując uporządkowanie stroboskopowe.
• Nieuporządkowanie wprowadzone wewnątrz każdego cyklu nie niszczyło długookresowego wzorca powtarzalnego, gdy pomiary były wykonywane stroboskopowo.
• Czasy życia stroboskopowego przekraczały cztery sekundy w niektórych próbach, co odpowiada obserwacji przez ponad sto okresów sterowania i umożliwia analizę spektralną dynamiki.

Znaczenie i potencjalne zastosowania

Ograniczenia i kierunki rozwoju

Demonstracja ta stanowi dowód koncepcji, a nie gotową technologię. Opierała się na starannej hiperpolaryzacji, niskoszumowym sterowaniu mikrofalowym i precyzyjnym odczycie. Chociaż czasy koherencji były długie jak na wielociałowy układ w ciele stałym w temperaturze pokojowej, pozostają one krótkie w porównaniu z zaprojektowanymi pamięciami kubitowymi. Przyszłe prace mogą objąć badanie innych materiałów gospodarzy, alternatywnych gatunków spinów oraz ulepszonej elektroniki sterującej w celu wydłużenia czasów życia i zwiększenia czułości.

Szersze implikacje

Koncepcyjnie kryształ rondeau ilustruje, że łamanie symetrii czasowej może wspierać strukturę warstwową: stabilny porządek w grubych skalach czasowych współistniejący z celowym nieuporządkowaniem w skalach drobniejszych. Odzwierciedla to zjawiska w materiałach przestrzennych, gdzie niektóre stopnie swobody są uporządkowane, podczas gdy inne nie, i sugeruje nowe sposoby organizowania informacji oraz spójnego zachowania w sterowanych układach kwantowych.

Perspektywy

Obserwacja kryształu czasowego rondeau oferuje nową platformę do badania faz nierównowagowych oraz opracowywania technik sterowania wykorzystujących strukturę czasową. Przekształcenie tych odkryć w praktyczne narzędzia pomiarowe lub przetwarzania informacji będzie wymagało dalszych ulepszeń materiałów i systemów sterowania w celu osiągnięcia dłuższych czasów koherencji i większej odporności.