ჩვეულებრივი კრისტალები ხასიათდება განმეორებადი სტრუქტურებით, მათი ატომები ქმნიან მოწესრიგებულ სივრცულ სისტემებს. 2012 წელს ფრენკ ვილჩეკმა (Frank Wilczek, 2004 წლის ნობელის პრემიის ლაურიატი ფიზიკაში) თეორიულად შემოგვთავაზა დროის კრისტალის კონცეფცია, როგორც პერიოდული სტრუქტურა მეოთხე (დროით) განზომილებაში. ვილჩეკის იდეის თანახმად დროის კრისტალს ქმნის კვანტურ სისტემა, რომელიც მინიმალური ენერგიის მდგომარეობაში (სადაც კლასიკური მოძრაობა წყდება) ასრულებს უსასრულო პერიოდულ მოძრაობას. მიუხედავად განმეორებადი მოძრაობისა ასეთი სისტემა რჩება ძირითად მდგომარეობაში, რადგან კვანტური მოძრაობით არ შეიძლება სისტემის ენერგიის გაზრდა. პირველი დროის კრისტალის შექმნა ლაბორატორიაში 2016 წელს მოახერხეს მერილენდის უნივერსიტეტის ფიზიკოსებმა. სხვადასხვა ექსპერიმენტებში მეცნიერები დროის კრისტალებს აკვირდებოდნენ ატომების რგოლებში, ბოზე-კონდენსატებში და კვანტური პროცესორის კუბიტებზეც კი.

2022 წლის 2 ივნისს ჟურნალმა Nature Communications გამოქვეყნებული სტატიაში ბრიტანელი, რუსი და ფინელი მეცნიერების ჯგუფი განიხილავდა ორი დროის კრისტალის ურთიერთქმედებას ზეთხევად ჰელიუმ-3-ში. ასეთ შემთხვევაში მნიშვნელოვანია სისტემის გარე გავლენებისგან იზოლაცია, ორივე კრისტალი დაცული უნდა იყოს, მაგრამ ამავე დროს საკმარისად მჭიდროდ უნდა იყვნენ დაკავშირებული ერთმანეთთან. ეს პრობლემები მეცნიერებმა უკვე გადაჭრეს ორი წლის წინ. მათ მიიღეს ბოზე-აინშტაინის კონდენსატი ზეთხევად ჰელიუმში, სადაც დროის კრისტალის მდგომარეობაში მყოფი ორი სპინური აღგზნების (მაგნონი) კონდენსატისთვის აღმოაჩინეს ჯოზეფსონის ეფექტის ანალოგი.

ახლა ფიზიკოსები უფრო შორს წავიდნენ და აალტოს უნივერსიტეტში (ჰელსინკი) ჩატარებულ ექსპერიმენტში მაგნონური კონდენსატის წყვილი მაკროსკოპულ დინამიურ კუბიტად აქციეს. გამოყენებული დანადგარი წარმოადგენდა დაახლოებით 0,0001 კელვინ ტემპერატურამდე გაციებული თხევადი ჰელიუმ-3-ით სავსე ცილინდრული ფორმის კვარცის კონტეინერს. მეცნიერები დააკვირდნენ, რომ ზეთხევად სითხეში ელექტრონების კუპერის წყვილების ორბიტალური მომენტებმა ცილინდრულ მოცულობაში შექმნეს არაერთგვაროვანი, მაგრამ ღერძული სიმეტრიის მქონე სტრუქტურა. წარმოქმნილი სპინური აღგზნებები (მაგნონები) განიცდიან სპინი-ორბიტალურ ურთიერთქმედებას, რაც ორბიტალური მომენტის არაერთგვაროვნების გამო, იწვევდა მათ ჩაჭერას კონტეინერის ცენტრში. კიდევ ერთი მაგნონური ხაფანგი ორბიტალურ არაერთგვაროვნების გამო ჩნდებოდა სითხის ზედაპირზე.

ორივე ხაფანგში მოხდა მაგნონების კონდენსაცია და უბნების მთლიანი დამაგნიტება პრეცესირებდა სიმეტრიის ღერძის გარშემო საკუთარი სიხშირით, რაც აჩვენებს ორი დროის კრისტალის არსებობას. აღსანიშნავია, რომ ზედაპირული კრისტალის პრეცესიის სიხშირე დიდი სიზუსტით მუდმივი იყო, ვინაიდან სითხის კიდეებთან ორბიტალური მომენტები ზედაპირის პერპენდიკულარულადაა დაფიქსირებული. რაც შეეხება ცენტრალურ დროის კრისტალს, მისი სიხშირე დამოკიდებულია მასში მაგნონების დასახლებულობაზე. ეს გამოწვეულია უკუკავშირის ეფექტით: სპინი-ორბიტალური ურთიერთქმედება არა მხოლოდ აგროვებს მაგნონებს ცენტრში, არამედ ახდენს ბრუნვის რაოდენობის განაწილების დეფორმაციას.

სისტემის შესანიშნავი თავისებურებაა, რომ ის შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც ორ-დონიანი კვანტურ-მექანიკური სისტემა - მაკროსკოპული კუბიტი. ამ შემთხვევაში კუბიტის მოხვედრის ალბათობას ზედა ან ქვედა დონეზე განსაზღვრულია შესაბამის ხაფანგში მაგნონების დასახლებულობით, ხოლო ფაზის როლს ასრულებს პრეცესიების ფარდობითი ფაზა. სისტემის ჰამილტონიანს გააჩნია ასევე არადიაგონალური წევრები: დონეებს შორის კავშირს უზრუნველყოფს კონდენსატების გადაფარვა და მათ შორის მაგნონების მიგრაცია.

თუმცა, ხელოვნურად მიღებული კუბიტი განსხვავდება რეალურისგან იმით, რომ მისი ერთ-ერთი დონის ენერგია დაკავშირებულია მისი მდგომარეობის დასახლებულობასთან. ეს ართულებს სისტემის ევოლუციის თეორიულ აღწერას, მაგრამ საშუალებას იძლევა შესწავლილი იქნას უკუკავშირის ახალი დინამიური რეჟიმი.

ავტორები ხაზს უსვამენ, რომ რეალური კვანტური მექანიკური სისტემებისგან განსხვავებით, რომელთა თვისებების შესწავლა შესაძლებელია მხოლოდ განმეორებითი მომზადებისა და გაზომვის გზით, ორ დროის კრისტალზე დაფუძნებული სისტემა შესაძლებელს ხდის ყველა ექსპერიმენტული პარამეტრის ამოღებას მხოლოდ ერთი გაზომვით.

აღმოჩენა გვიჩვენებს, რომ პრინციპულადაა შესაძლებელია დროის კრისტალების გამოყენება მომავლის კვანტურ კომპიუტერებში. კვანტურ ფიზიკაში ის ობიექტები, რომლებსაც გააჩნიათ ერთზე მეტი მდგომარეობა, გაზომვამდე არსებობენ ყველა ამ მდგომარეობაში ერთად. სწორედ ასეთი მრავლ-მდგომარეობიანი სისტემებია საჭირო კვანტური კომპიუტერებისთვის. მეცნიერები ოპტიმისტურად არიან განწყობილები და ფიქრობენ რომ დროის კრისტალი კვანტური კომპიუტერის მთავარი სამშენებლო ბლოკი გახდება.

წყარო:
https://phys.org/...ysics.html
https://www.scien...first-time