Entwickeln Sie Zeitkristalle für den Einsatz in realen Anwendungen

Zeitkristalle, die bei Raumtemperatur auf unbestimmte Zeit bestehen, können Anwendungen in der präzisen Zeitmessung haben.

Wir alle haben Kristalle gesehen, sei es ein Salz- oder Zuckerkorn oder ein kunstvoller und schöner Amethyst. Diese Kristalle bestehen aus Atomen oder Molekülen, die sich in einem symmetrischen dreidimensionalen Muster wiederholen, das als Gitter bezeichnet wird, wobei die Atome bestimmte Punkte im Raum einnehmen. Durch die Bildung eines periodischen Gitters brechen beispielsweise die Kohlenstoffatome in Diamant die Symmetrie des Raums, in dem sie sitzen. Physiker nennen das „Symmetriebrechung“.

Wissenschaftler haben kürzlich entdeckt, dass ein ähnlicher Effekt mit der Zeit beobachtet werden kann. Symmetriebruch, wie der Name schon sagt, kann nur auftreten, wenn eine Art Symmetrie vorhanden ist. Im Zeitbereich erzeugt eine sich periodisch ändernde Kraft- oder Energiequelle natürlicherweise ein Zeitmuster.

Symmetriebrüche treten auf, wenn ein von dieser Kraft angetriebenes System einen Déjà-vu-Moment erlebt, aber Nicht Mit der gleichen Dauer an Stärke. „Zeitkristalle“ wurden im letzten Jahrzehnt als neue Phase der Materie verfolgt und kürzlich unter aufwändigen experimentellen Bedingungen in isolierten Systemen beobachtet. Diese Experimente erfordern extrem niedrige Temperaturen oder andere strenge Bedingungen, um unerwünschte äußere Einflüsse zu minimieren.

Damit Wissenschaftler mehr über Zeitkristalle erfahren und ihr technologisches Potenzial nutzen können, müssen sie Wege finden, Zeitkristallzustände außerhalb des Labors herzustellen und stabil zu halten.

Spitzenforschung unter der Leitung der University of California, Riverside, veröffentlicht diese Woche in Naturkommunikation Beachten Sie nun die Zeitkristalle in einem System, das nicht von seiner Umgebung isoliert ist. Diese große Errungenschaft bringt Wissenschaftler der Entwicklung von Zeitkristallen für den Einsatz in realen Anwendungen einen Schritt näher.

„Wenn Ihr experimentelles System einen Energieaustausch mit seiner Umgebung hat, wirken Dissipation und Rauschen zusammen, um die zeitliche Ordnung zu zerstören“, sagte Hauptautor Hossein Taheri, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik bei Marlan and Rosemary Burns. Hochschule für Ingenieure. „In unserer optischen Plattform findet das System ein Gleichgewicht zwischen Gewinn und Verlust für die Erstellung und Aufrechterhaltung von Zeitkristallen.“

Ein Forscherteam unter der Leitung von Hossein Taheri, außerordentlicher Professor der University of California Riverside, hat die Idee des Nobelpreisträgers Frank Wilczek weiterentwickelt und neue Zeitkristalle demonstriert, die trotz Lärm und Energieverlust unbegrenzt bei Raumtemperatur bestehen.

Die allphotonische Zeitkristallisation wird mit einem scheibenförmigen Resonator aus Magnesiumfluorid-Glas mit einem Durchmesser von einem Millimeter erreicht. Als zwei Laserstrahlen bombardiert wurden, beobachteten die Forscher subharmonische Spitzen oder Frequenztöne zwischen den beiden Laserstrahlen, was auf einen Bruch der Zeitsymmetrie und die Entstehung von Zeitkristallen hinweist.

Das UCR-geführte Team verwendete eine Technologie namens Laser-Self-Injection-Lock im Resonator, um eine Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse zu erreichen. Die Zeitwiederholungszustandssignaturen dieses Systems können leicht im Frequenzbereich gemessen werden. Die vorgeschlagene Plattform vereinfacht somit das Studium dieser neuen Phase der Fragestellung.

Ohne die Notwendigkeit einer niedrigeren Temperatur kann das System für Feldanwendungen außerhalb eines komplexen Labors bewegt werden. Eine solche Anwendung können sehr genaue Zeitmessungen sein. Da Wiederholung und Zeit ein mathematisches Spiegelbild voneinander sind,[{“ attribute=““>accuracy in measuring frequency enables accurate time measurement.

“We hope that this photonic system can be utilized in compact and lightweight radiofrequency sources with superior stability as well as in precision timekeeping,” said Taheri.

Reference: “All-optical dissipative discrete time crystals” by Hossein Taheri, Andrey B. Matsko, Lute Maleki and Krzysztof Sacha, 14 February 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28462-x

Taheri was joined in the research by Andrey B. Matsko at NASA’s Jet Propulsion Laboratory, Lute Maleki at OEwaves Inc. in Pasadena, Calif., and Krzysztof Sacha at Jagiellonian University in Poland.