Los físicos de Harvard han creado una nueva forma de materia, denominada cristal de tiempo, que podría ofrecer información importante sobre el misterioso comportamiento de los sistemas cuánticos.
Tradicionalmente hablando, los cristales, como la sal, el azúcar o incluso los diamantes, son simplemente arreglos periódicos de átomos en una red tridimensional.
Los cristales de tiempo, por otro lado, toman esa noción de átomos dispuestos periódicamente y agregan una cuarta dimensión, sugiriendo que, bajo ciertas condiciones, los átomos que algunos materiales pueden exhibir estructura periódica a través del tiempo.
Dirigido por los Profesores de Física Mikhail Lukin y Eugene Demler, un equipo formado por becarios posdoctorales Renate Landig y Georg Kucsko, la becaria junior Vedika Khemani y los estudiantes graduados del Departamento de Física Soonwon Choi, Joonhee Choi y Hengyun Zhou construyeron un sistema cuántico utilizandoun pequeño pedazo de diamante incrustado con millones de impurezas a escala atómica conocidas como centros de vacantes de nitrógeno NV. Luego utilizaron pulsos de microondas para "sacar" al sistema del equilibrio, haciendo que los giros del centro NV se voltearan a intervalos precisos- uno de los marcadores clave de un cristal de tiempo. El trabajo se describe en un artículo publicado en Naturaleza en marzo
Otros coautores del estudio son Junichi Isoya, Shinobu Onoda e Hitoshi Sumiya de la Universidad de Tsukuba, Takasaki Advanced Research Institute y Sumitomo, Fedor Jelezko de la Universidad de Ulm, Curt von Keyserlingk de la Universidad de Princeton y Norman Y. Yao deUC Berkeley.
Pero la creación de un cristal de tiempo no es importante simplemente porque demuestra que los materiales teóricos que antes solo podían existir, dijo Lukin, sino porque ofrecen a los físicos una ventana tentadora en el comportamiento de tales sistemas fuera de equilibrio.
"Ahora hay un trabajo amplio y continuo para comprender la física de los sistemas cuánticos sin equilibrio", dijo Lukin. "Esta es un área que es de interés para muchas tecnologías cuánticas, porque una computadora cuántica es básicamente un sistema cuántico que está lejoslejos del equilibrio. Está muy en la frontera de la investigación ... y realmente solo estamos rascando la superficie ".
Pero si bien comprender estos sistemas sin equlibrium podría ayudar a los investigadores a seguir el camino de la computación cuántica, la tecnología detrás de los cristales de tiempo también puede tener más aplicaciones a corto plazo.
"Un área específica en la que creemos que esto podría ser útil, y esta fue una de nuestras motivaciones originales para este trabajo, es la medición de precisión", dijo Lukin. "Resulta que, si está tratando de construir ... parapor ejemplo, un sensor de campo magnético, puede usar giros del centro NV ", dijo." Entonces, es posible que estos estados de materia de no equilibrio que creamos puedan resultar útiles ".
Sin embargo, la idea de que tales sistemas podrían construirse en absoluto, inicialmente parecía poco probable. De hecho, varios investigadores los nombres son Patrick Bruno, Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa llegaron a demostrar que sería imposible crear un momentocristal en un sistema cuántico que estaba en equilibrio.
"La mayoría de las cosas que nos rodean están en equilibrio", explicó Lukin. "Eso significa que si tienes un cuerpo caliente y uno frío, si los unes, su temperatura se igualará. Pero no todos los sistemas son así".
Dijo que uno de los ejemplos más comunes de un material que está fuera de equilibrio es algo que muchas personas usan a diario: diamantes.
Una forma cristalizada de carbono que se forma bajo calor y presión intensos, el diamante es inusual porque es metaestable, lo que significa que una vez que adopta esa formación de cristales, permanecerá de esa manera, incluso después de que se elimine el calor y la presión.
Lukin dijo que es muy reciente que los investigadores comenzaron a darse cuenta de que los sistemas de no equilibrio, particularmente aquellos conocidos como sistemas "impulsados", que los investigadores pueden "patear" con pulsos de energía periódicos, pueden exhibir las características de un tiempocristal.
Una de esas características, dijo, es que la respuesta del cristal a lo largo del tiempo seguirá siendo sólida con respecto a las perturbaciones.
"Un cristal sólido es rígido ... así que si lo empujas, tal vez la distancia entre los átomos cambia un poco, pero el cristal en sí sobrevive", dijo. "La idea de un cristal de tiempo es tener ese tipo deordenar en un dominio de tiempo, pero debe ser robusto "
Otro ingrediente importante suele ser que si mantiene un sistema alejado del equilibrio, comienza a calentarse, pero resulta que hay una clase de sistemas que son resistentes a este calentamiento ", agregó Lukin." Resulta que el cristal de tiempoEl efecto está fuertemente relacionado con esta idea de que un sistema está excitado, pero no absorbe energía ".
Para construir dicho sistema, Lukin y sus colegas comenzaron con un pequeño pedazo de diamante que estaba incrustado con tantos centros NV que parecía negro.
"Sometemos ese diamante a pulsos de microondas, que cambian la orientación de los giros de los centros NV", explicó Lukin. "Eso básicamente toma todos los giros que apuntan hacia arriba y los baja, y un pulso siguiente los vuelve a girararriba."
Para probar la robustez del sistema, Lukin y sus colegas variaron el tiempo de los pulsos para ver si el material continuaría respondiendo como un cristal de tiempo.
"Si no orienta todos los giros completamente hacia arriba o hacia abajo cada vez, muy rápidamente, terminará con un sistema completamente al azar", dijo Lukin. "Pero las interacciones entre los centros NV estabilizan la respuesta:obligar al sistema a responder de manera periódica y cristalina ".
En última instancia, tales sistemas podrían ser críticos en el desarrollo de computadoras cuánticas y sensores cuánticos útiles, dijo Lukin, porque demuestran que dos componentes críticos, largos tiempos de memoria cuántica y una muy alta densidad de bits cuánticos, no son mutuamente excluyentes.
"Para muchas aplicaciones desea ambas", dijo Lukin. "Pero estos dos requisitos suelen ser contradictorios ... este es un problema bien conocido. El presente trabajo muestra que podemos lograr la combinación deseada. Hayaún queda mucho trabajo por hacer, pero creemos que estos efectos podrían permitirnos crear una nueva generación de sensores cuánticos, y posiblemente a la larga podrían tener otras aplicaciones para cosas como los relojes atómicos ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Harvard . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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