Οι κρύσταλλοι χρόνου θα μπορούσαν μια μέρα να αποτελέσουν τη βάση για εξαιρετικά ακριβή κβαντικά ρολόγια, σύμφωνα με νέα μαθηματική ανάλυση. Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters και διεξήχθη από την Ludmila Viotti στο Διεθνές Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής Abdus Salam στην Ιταλία, δείχνει ότι αυτά τα εξωτικά συστήματα προσφέρουν θεωρητικά μεγαλύτερη ακρίβεια από τα συμβατικά σχέδια.
Στη φυσική, ένας κρύσταλλος ορίζεται ως οποιοδήποτε σύστημα που φιλοξενεί ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο στη μικροσκοπική του δομή. Ενώ στους συνηθισμένους κρυστάλλους αυτό το μοτίβο επαναλαμβάνεται στο χώρο, στους κρυστάλλους χρόνου η δομή επαναλαμβάνεται στον χρόνο. Τα συστήματα αυτά επιδείχθηκαν πειραματικά για πρώτη φορά το 2016 και από τότε οι ερευνητές μελετούν τις πιθανές εφαρμογές τους.
Κρύσταλλοι χρόνου: Ένας αξιόπιστος χρονομέτρης
Η ομάδα της Viotti εξέτασε πώς οι κρύσταλλοι χρόνου θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό ενός πρακτικού κβαντικού ρολογιού. Τα υπάρχοντα ρολόγια υψηλής ακρίβειας λειτουργούν ψύχοντας παγιδευμένα ιόντα ή άτομα σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες με χρήση λέιζερ και στη συνέχεια διεγείροντας τα ηλεκτρόνιά τους. Οι συχνότητες των φωτονίων που εκπέμπονται καθώς τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν σε χαμηλότερες ενεργειακές καταστάσεις παρέχουν ένα εξαιρετικά σταθερό σήμα αναφοράς.
Ωστόσο, αυτή η βελτιωμένη ακρίβεια έχει ένα κόστος: τα συστήματα αυτά είναι πολύπλοκα, ενεργοβόρα και δύσκολα στην εγκατάσταση εκτός εργαστηριακών συνθηκών. Αντίθετα, οι κρύσταλλοι χρόνου δεν απαιτούν συνεχή διέγερση για να διατηρήσουν τις ταλαντώσεις τους. Ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο αναδύεται και επιμένει λόγω των εσωτερικών αλληλεπιδράσεων του συστήματος, παρέχοντας έναν φυσικό, ενσωματωμένο ρυθμό.
Σύγκριση φάσεων και ακρίβεια
Για να διερευνήσουν την ιδέα, οι ερευνητές προσομοίωσαν ένα σύνολο 100 κβαντικών σωματιδίων, το καθένα από τα οποία μπορούσε να βρεθεί σε μία από δύο καταστάσεις σπιν: πάνω ή κάτω. Το σύστημα μπορούσε να λειτουργήσει σε δύο διαφορετικές φάσεις. Στη «συμβατική» φάση, οι ταλαντώσεις καθοδηγούνται από ένα εξωτερικό πεδίο λέιζερ. Στην «κρυσταλλική» φάση χρόνου, ένα αυτοσυντηρούμενο μοτίβο αναδύεται χωρίς την ανάγκη συνεχούς διέγερσης.
Οι δοκιμές έδειξαν ότι στη συμβατική φάση η ακρίβεια του ρολογιού υποβαθμιζόταν γρήγορα όταν εξετάζονταν πολύ μικρά χρονικά διαστήματα. Αντίθετα, στη φάση του κρυστάλλου χρόνου, η ακρίβεια παρέμενε πολύ πιο σταθερή υπό τις ίδιες συνθήκες.
Ο δρόμος προς την πρακτική εφαρμογή
Αν και απαιτούνται σημαντικές τεχνολογικές πρόοδοι πριν οι κρύσταλλοι χρόνου εφαρμοστούν σε πραγματικά κβαντικά ρολόγια, η μαθηματική απόδειξη της ομάδας αναμένεται να ενθαρρύνει περαιτέρω μελέτες. Αν η προσέγγιση αυτή υλοποιηθεί στο εργαστήριο, θα μπορούσε να ανοίξει νέες δυνατότητες για τεχνολογίες που κυμαίνονται από συστήματα δορυφορικής πλοήγησης μέχρι εξαιρετικά ευαίσθητους ανιχνευτές μαγνητικών πεδίων.
