Cristalul ‘rondeau’ temporal: O nouă formă de ordine temporală observată de cercetători
Într-un studiu revoluționar publicat în revista Nature Physics, o echipă de cercetători a reușit să observe experimental un cristal ‘rondeau’ temporal, o nouă fază de materie în care coexistă o ordine temporală de lungă durată cu fluctuații scurte și controlabile. Acest concept inovator, bazat pe o analogie cu forma muzicală ‘rondeau’, reflectă un comportament periodic perfect la anumite intervale de măsurare, alternând cu variații aleatorii între aceste momente.
Leo Moon, student la doctorat în domeniul Științei Aplicate și Tehnologie la Universitatea din California, Berkeley, coautor al lucrării, a explicat motivația din spatele acestei cercetări: „Ordinea și variația coexistă în artă și natură. Modelele repetitive apar în formele de artă timpurie datorită simplității lor, în vreme ce formele muzicale și poetice avansate dezvoltă variații complexe pe un fundal monoton.”
Dincolo de aspectele estetice, cercetătorii au subliniat că chiar și substanțe familiare, cum ar fi gheața, ilustrează această dualitate, unde atomii de oxigen formează o rețea cristalină, iar nucleele de hidrogen rămân aranjate aleatoriu. Descoperirile anterioare despre cristalele de timp au demonstrat că acestea rup simetria de translație temporală, arătând oscilații periodice pe termen lung. Totuși, explorările de până acum referitoare la ordinea temporală non-perioadică s-au concentrat pe modele deterministice, cum sunt quasicristalele.
Cristalul rondeau este primul care combină ordinea stroboscopică cu un dezordonat aleatoriu controlabil. Cercetătorii au folosit spinurile nucleare de carbon-13 din diamant ca simulator cuantic, având un sistem format din spinuri nucleare poziționate aleatoriu la temperatura camerei, interacționând prin cuplaje dipolare pe termen lung.
Crearea unei noi faze de materie
Pentru a obține acest rezultat, cercetătorii au hiperpolarizat spinurile nucleare folosind tehnica centrelor de vacanță de azot (NV), adică defecte în diamant unde un atom de azot se află aproape de un loc de rețea liber. Când sunt expuse la un laser, aceste centre devin spin-polarizate, iar această polarizare poate fi transferată spinurilor nucleare din jur prin impulsuri de microunde. Procesul de hiperpolarizare a durat 60 de secunde, sporind polarizarea spinului nuclear cu aproape 1000 de ori față de valoarea sa de echilibru termic, generând un semnal puternic care putea fi urmărit pe durate extinse.
Apoi, echipa a aplicat secvențe sofisticate de impulsuri de microunde, combinând impulsuri de protecție cu impulsuri temporizate de inversare a polarizării. Această structură ordonată, dar parțial aleatorie, a condus la crearea ordinii rondeau. Un nou sistem de control, care utilizează un generator de forme de undă arbitrare cu memorie extinsă a secvențelor, a permis realizarea a peste 720 de impulsuri diferite într-o singură rulare, esențial pentru generarea de impulsuri structurate, dar non-perioadice, care creează ordinele rondeau în cristal.
O descoperire semnificativă în fizica cuantică
Prin acest experiment, echipa a observat că ordinea rondeau s-a menținut mai mult de 170 de perioade, depășind patru secunde. Transformata Fourier discretă a dinamicii a oferit dovezi ale acestei noi faze. Spre deosebire de cristalele de timp convenționale, care prezintă un singur vârf ascuțit în spectrul lor de frecvență, cristalul rondeau temporal a arătat o distribuție continuă și netedă pe toate frecvențele. Această „dovadă copleșitoare” a confirmat coexistenta ordinii temporale și a dezordinii.
Moon a subliniat că „ordinea rondeau arată că ordinea și dezordinea nu trebuie să fie opuse – ele pot coexista într-un sistem cuantic stabil, acționat.” Cercetătorii au reușit să controleze comportamentul sistemului, variind parametrii de conducere pentru a stabili un amplu diagramă de faze a stabilității ordinii rondeau. Durata de viață a ordinii putea fi ajustată prin modificarea perioadei și imperfecțiunilor impulsurilor, cu rate de încălzire care urmau legi de scalare prevăzute.
Extinderea peisajului științific
Echipa a demonstrat, de asemenea, că informațiile pot fi codificate în dezordinea temporală. Prin ingineria unor secvențe specifice de impulsuri de conducere, au reușit să codifice titlul lucrării, „Observația experimentală a unui cristal rondeau temporal. Dezordinea temporală în ordinea spatiotemporală,” în dinamica micromoca spinurilor nucleare, stocând mai mult de 190 de caractere.
Cercetătorii sugerează că această capacitate de tunare a dezordinii ar putea face din această platformă o opțiune atractivă pentru proiectarea de senzori cuantici sensibili la intervale de frecvență specifice. Această lucrare extinde peisajul observat al ordinii temporale non-ecuaționale dincolo de cristalele de timp convenționale, demonstrând și fenomene legate, precum conducerea aperiodică deterministă și realizând astfel cristale de timp aperiodice alături de ordinea rondeau.
Pe termen lung, Moon a menționat că echipa explorează alternative materiale dincolo de diamant, incluzând cristale moleculare dopate cu pentacene, unde spinurile nucleare de hidrogen-1 oferă o sensibilitate crescută. „Exploatarea dezordinii reglabile ar putea deschide calea pentru senzori cuantici practici sau dispozitive de memorie care profită de stabilitatea în domeniul temporal,” a adăugat Moon.
Prin această descoperire, cercetătorii din domeniul fizicii cuantice au realizat un pas important în înțelegerea și controlul ordinii temporale, deschizând perspective promițătoare pentru aplicații tehnologice în viitor.
