O formă complet neobișnuită de materie, care „ticăie” la infinit fără a avea nevoie de o sursă externă de energie, a făcut un pas uriaș către aplicațiile practice din lumea reală. Acest sistem cuantic fascinant poartă numele de cristal temporal. El își repetă mișcarea la nesfârșit, asemeni unui ceasornic care nu se oprește absolut niciodată. Până acum, acesta era privit exclusiv ca o ciudățenie teoretică. Totuși, oamenii de știință au reușit pentru prima oară o performanță istorică și anume conectarea lui la un dispozitiv mecanic extern.
Cercetătorii au creat o punte între cristalul de timp și un oscilator microscopic. Prin această legătură, ei au demonstrat că îi pot controla direct comportamentul. Această realizare remarcabilă deschide calea către dezvoltarea unor tehnologii incredibil de puternice, pornind de la senzori ultra-preciși și până la noile generații de calculatoare.
Ce este un cristal temporal și de ce sfidează legile fizicii?
Un cristal obișnuit, așa cum este diamantul sau cuarțul, își capătă structura prin aranjarea perfectă și periodică a atomilor săi în spațiu. În anul 2012, fizicianul american Frank Wilczek, laureat al Premiului Nobel pentru Fizică, a lansat o ipoteză îndrăzneață. El a sugerat că o ordine perfectă similară ar putea exista nu doar în spațiu, ci și pe axa timpului.
Această teorie revoluționară propunea ca anumite sisteme cuantice să se poată organiza singure în modele care se repetă la nesfârșit. Cel mai interesant aspect este că ele pot face acest lucru fără a consuma deloc energie din mediul înconjurător. Ele pot exista în starea lor fundamentală, de energie minimă, în timp ce continuă să se miște constant. Existența lor a fost confirmată experimental abia în 2016, devenind imediat unul dintre cele mai dezbătute subiecte din fizica modernă.
Cum au reușit experții să controleze această mișcare perpetuă?
O echipă de la Departamentul de Fizică Aplicată din cadrul Universității Aalto a reușit să transforme un cristal temporal într-un sistem optomecanic. Studiul a fost condus de cercetătorul Jere Mäkinen și a fost publicat în prestigioasa revistă Nature Communications.
Pentru a construi acest sistem complex, experții au folosit unde radio pentru a injecta cvasiparticule numite magnoni într-un fluid de Heliu-3. Acest izotop rar de heliu a fost răcit la o temperatură extremă, foarte aproape de zero absolut. Heliul-3 devine superfluid în aceste condiții, ceea ce înseamnă că mișcarea se produce cu frecare zero. După oprirea undelor radio, magnonii s-au organizat singuri și au dat naștere noului cristal de timp. Sistemul și-a continuat mișcarea constantă minute în șir înainte de a se estompa. În timp ce devenea tot mai slab, cristalul a interacționat mecanic cu un oscilator din apropiere.
„Perpetuum mobile este posibil în domeniul cuantic, atâta timp cât nu este perturbat de un aport de energie externă, cum ar fi prin observarea lui. De aceea un cristal de timp nu mai fusese niciodată conectat la vreun sistem extern”, declară Mäkinen. „Dar noi am făcut exact acest lucru și am arătat, de asemenea, pentru prima dată, că poți ajusta proprietățile cristalului folosind această metodă.”
Care este legătura cu tehnologiile avansate de detectare a undelor gravitaționale?
Interacțiunea directă dintre cristalul temporal și oscilatorul extern a variat în funcție de frecvența și amplitudinea acestuia din urmă. Conexiunea este una esențială pentru fizicieni. Ea demonstrează practic faptul că un sistem care părea complet izolat poate fi manipulat după bunul plac al cercetătorilor.
„Am arătat că schimbările în frecvența cristalului de timp sunt complet analoage fenomenelor optomecanice cunoscute pe larg în fizică. Acestea sunt aceleași fenomene care sunt folosite, de exemplu, în detectarea undelor gravitaționale la Observatorul LIGO din SUA. Prin reducerea pierderii de energie și creșterea frecvenței acelui oscilator mecanic, configurația noastră ar putea fi optimizată pentru a ajunge jos, aproape de granița domeniului cuantic”, mai adaugă Mäkinen.
Va reprezenta această inovație o bază solidă pentru viitoarele calculatoare cuantice?
Aplicațiile care decurg din această inovație de laborator sunt absolut uriașe pentru lumea tehnologiei. Cristalele temporale au potențialul de a revoluționa modul în care funcționează sistemele cuantice. Marele lor avantaj constă în faptul că au o durată de viață și de funcționare mult mai ridicată în comparație cu alternativele actuale.
„Cristalele de timp rezistă pentru ordine de mărime mai lungi decât sistemele cuantice utilizate în prezent în calculatoarele cuantice. Cel mai bun scenariu este că aceste cristale de timp ar putea alimenta sistemele de memorie ale calculatoarelor cuantice pentru a le îmbunătăți semnificativ. De asemenea, ar putea fi folosite ca piepteni de frecvență care sunt utilizați în dispozitive de măsurare de o sensibilitate extrem de ridicată pe post de referințe de frecvență”, explică cercetătorul finalizând concluziile.
Echipa de cercetare a beneficiat de infrastructura de top OtaNano din Finlanda. Astfel, ceea ce părea de domeniul științifico-fantastic capătă formă exactă în instrumentele care vor defini viitorul nostru.
