Harvard -fysiker har skapat en ny form av materia - kallad en tidskristall - som kan ge viktig insikt i kvantsystemens mystiska beteende.

Traditionellt sett, kristaller - som salt, socker eller till och med diamanter - är helt enkelt periodiska arrangemang av atomer i ett tredimensionellt galler.

Tidskristaller, å andra sidan, ta den uppfattningen om periodiskt arrangerade atomer och lägg till en fjärde dimension, tyder på att - under vissa förhållanden - de atomer som vissa material kan uppvisa periodisk struktur över tiden.

Leds av professorer i fysik Mikhail Lukin och Eugene Demler, ett team bestående av postdoktorer Renate Landig och Georg Kucsko, Juniorkollega Vedika Khemani, och fysikavdelningens doktorander Soonwon Choi, Joonhee Choi och Hengyun Zhou byggde ett kvantsystem med hjälp av en liten bit diamant inbäddad med miljontals föroreningar i atomskala som kallas nitrogen-vacancy (NV) centra. De använde sedan mikrovågspulser för att "sparka" systemet ur jämvikt, vilket får NV -centerns snurr att vända med exakt tidsinställda intervall - en av de viktigaste markörerna för en tidskristall. Arbetet beskrivs i en artikel publicerad i Natur i mars.

Andra medförfattare till studien är Junichi Isoya, Shinobu Onoda, och Hitoshi Sumiya från University of Tsukuba, Takasaki Advanced Research Institute och Sumitomo, Fedor Jelezko från University of Ulm, Curt von Keyserlingk från Princeton University och Norman Y. Yao från UC Berkeley.

Men skapandet av en tidskristall är inte viktigt bara för att det bevisar att det tidigare bara teoretiska materialet kan existera, Lukin sa, men för att de erbjuder fysiker ett lockande fönster till beteendet hos sådana system som inte är i jämvikt.

"Det är nu brett, pågående arbete för att förstå fysiken i kvantsystem som inte är i jämvikt, "Sa Lukin." Detta är ett område som är av intresse för många kvanttekniker, eftersom en kvantdator i grunden är ett kvantsystem som är långt ifrån jämvikt. Det ligger mycket vid forskningens gräns ... och vi kliar egentligen bara på ytan. "

Men även om förståelse för sådana icke-ekviliberingssystem kan hjälpa forskare att gå vidare till kvantberäkning, tekniken bakom tidskristaller kan också ha fler korttidsapplikationer också.

"Ett specifikt område där vi tror att det här kan vara användbart, och detta var en av våra ursprungliga motiv för detta arbete, är i precisionsmätning, "Sa Lukin." Det visar sig, om du försöker bygga ... till exempel en magnetfältssensor, du kan använda NV-center-snurr, "sa han." Så det är möjligt att dessa icke-jämviktstillstånd i materia som vi skapar kan visa sig vara användbara. "

Tanken att sådana system alls skulle kunna byggas, dock, verkade initialt osannolikt. Faktum är att flera forskare (namnen är Patrick Bruno, Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa) gick så långt som att bevisa att det skulle vara omöjligt att skapa en tidskristall i ett kvantsystem som var i jämvikt.

"Det mesta runt omkring oss är i jämvikt, "Förklarade Lukin." Det betyder att om du har en varm kropp och en kall kropp, om du för dem ihop, deras temperatur kommer att utjämnas. Men alla system är inte så. "

Ett av de vanligaste exemplen på ett material som är ur jämvikt, han sa, är något många människor bär dagligen - diamant.

En kristalliserad form av kol som bildas under intensiv värme och tryck, diamant är ovanligt eftersom det är metastabilt, vilket betyder att när den väl har antagit den kristallbildningen, det kommer att förbli så även efter att värmen och trycket har tagits bort.

Det är bara väldigt nyligen, Lukin sa, att forskare började inse att icke -jämviktssystem - särskilt de som kallas "drivna" system, vilka forskare kan "sparka" med periodiska energipulser, kan uppvisa egenskaperna hos en tidskristall.

En av dessa egenskaper, han sa, är att kristallens svar över tiden kommer att förbli robust med avseende på störningar.

"En solid kristall är stel ... så om du trycker på den, kanske avståndet mellan atomer förändras lite, men själva kristallen överlever, "sa han." Tanken med en tidskristall är att ha den typen av ordning i en tidsdomän, men det måste vara robust. "

En annan viktig ingrediens är vanligtvis om du fortsätter att driva ett system bort från jämvikt det börjar värma upp, men det visar sig att det finns en klass av system som är resistenta mot denna uppvärmning, "Tillade Lukin." Det visar sig att tidskristalleffekten är starkt relaterad till denna idé att ett system är upphetsat, men det absorberar inte energi. "

För att bygga ett sådant system, Lukin och kollegor började med en liten bit diamant som var inbäddad i så många NV -center att det verkade svart.

"Vi utsätter den diamanten för mikrovågspulser, som ändrar orienteringen för spinnarna i NV -centren, "Förklarade Lukin." Det tar i princip alla snurr som pekas upp och vrider ner dem, och nästa puls vänder dem tillbaka. "

För att testa systemets robusthet, Lukin och kollegor varierade tidpunkten för pulserna för att se om materialet skulle fortsätta svara som en tidskristall.

"Om du inte orienterar alla snurr helt upp eller ner varje gång, då mycket snabbt, du kommer att få ett helt slumpmässigt system, "Sade Lukin." Men interaktionerna mellan NV -centren stabiliserar svaret:de tvingar systemet att reagera regelbundet, tid kristallint sätt. "

Sådana system kan i slutändan vara avgörande för utvecklingen av användbara kvantdatorer och kvantgivare, Lukin sa, eftersom de visar att två kritiska komponenter - långa kvantminnetider och en mycket hög densitet av kvantbitar - inte utesluter varandra.

"För många applikationer vill du ha båda, "Sade Lukin." Men dessa två krav är vanligtvis motsägelsefulla ... det här är ett välkänt problem. Det nuvarande arbetet visar att vi kan uppnå önskad kombination. Det återstår mycket arbete, men vi tror att dessa effekter kan göra det möjligt för oss att skapa en ny generation kvantgivare, och kan möjligen på sikt ha andra tillämpningar på saker som atomklockor. "