Fysiker observerar en ny tidsfas: 'rondeau'-tidskristallen

Fysiker observerar en ny temporal fas: 'rondeau'-tidskristallen

Sammanfattning

Forskare rapporterar en experimentell realisering av en temporal fas som de kallar "rondeau"-kristallen. Systemet uppvisar ett stabilt, repeterbart mönster när det samplas en gång per drivcykel, samtidigt som det tillåter medvetet varierad, kortlivad oordning mellan dessa samplingspunkter. Experimentet använde kol-13-kärnspinn i diamant och specialdesignade mikrovågspulssekvenser för att stabilisera rytmen.

Vad är en tidskristall?

En tidskristall är en icke-jämviktsfas där ett drivet flerkroppssystem uppvisar ihållande temporal ordning som bryter drivkraftens tidstranslationssymmetri. I det här fallet kombinerar rondeau-kristallen långlivad repetition från cykel till cykel med kontrollerad variation inom cykeln.

Experimentell plattform och metoder

Experimentet använde en diamantbaserad kvantsimulatorplattform innehållande kväve-vakans-defekter (NV-defekter) kopplade till naturligt förekommande kol-13-kärnspinn. Optisk och mikrovågskontroll tillämpades för att hyperpolarisera kol-13-ensemblen och för att läsa av kollektiv spinndynamik med hög fidelitet.

Forskare programmerade specialdesignade drivsekvenser — inklusive strikt periodiska, kvasiperiodiska och avsiktligt slumpmässiga strukturer inom cyklerna — med hjälp av en godtycklig vågformsgenerator för att kontrollera mikrovågspulsernas timing och form. Genom att mäta den kollektiva spinnresponsen över många drivcykler identifierade teamet långlivad stroboskopisk ordning trots brusig mikrorörelse inom enskilda cykler.

Viktiga observationer

• När den observerades en gång per drivcykel upprepades den kollektiva spinnkonfigurationen med hög fidelitet, vilket demonstrerar stroboskopisk ordning.
• Oordning som introducerades inom varje cykel förstörde inte det långvariga repeterande mönstret när mätningar gjordes stroboskopiskt.
• Stroboskopiska livslängder översteg fyra sekunder i vissa körningar, vilket motsvarar observationer över mer än hundra drivperioder och möjliggör spektralanalys av dynamiken.

Betydelse och potentiella tillämpningar

Begränsningar och framtida riktningar

Demonstrationen är ett koncepttest snarare än en färdig teknologi. Den förlitade sig på noggrann hyperpolarisering, mikrovågskontroll med lågt brus och exakt avläsning. Även om koherenstiderna var långa för en flerkroppsensemble i fast tillstånd vid rumstemperatur, förblir de korta jämfört med specialbyggda qubit-minnen. Framtida arbete skulle kunna undersöka andra värdmaterial, alternativa spinnarter och förbättrad kontrollektronik för att förlänga livslängderna och öka känsligheten.

Bredare implikationer

Konceptuellt illustrerar rondeau-kristallen att temporalt symmetribrott kan stödja lagerstrukturer: stabil ordning på grova tidsskalor som samexisterar med avsiktlig oordning på finare skalor. Detta speglar fenomen i rumsliga material där vissa frihetsgrader är ordnade medan andra är oordnade, och det föreslår nya sätt att organisera information och koherent beteende i drivna kvantsystem.

Framtidsutsikter

Observationen av en rondeau-tidskristall erbjuder en ny plattform för att studera icke-jämviktsfaser och för att utveckla kontrolltekniker som utnyttjar temporal struktur. Att omvandla dessa rön till praktiska verktyg för avkänning eller informationsbehandling kommer att kräva ytterligare förbättringar av material och kontroll för att uppnå längre koherenstider och större robusthet.