Gdy muzyka inspiruje fizykę
Co ciekawe, nazwa użyta przez członków zespołu badawczego, czyli „rondeau” nie jest przypadkowa i pochodzi od formy muzycznej, w której powracający temat przeplata się z różnorodnymi wariacjami. Leo Moon, współautor badania, tłumaczy szerzej, że inspiracją były obserwacje współistnienia porządku i zmienności w sztuce i naturze. Podczas gdy proste, powtarzalne wzorce dominują w pierwotnych formach artystycznych, bardziej zaawansowane dzieła łączą regularność z twórczym nieładem. Ta filozoficzna koncepcja znalazła odzwierciedlenie w laboratorium. Zespół stworzył system, w którym spiny jądrowe zachowują się jak muzycy w orkiestrze – okresowo odwracają polaryzację w przewidywalnych odstępach, lecz pomiędzy tymi momentami ich zachowanie staje się całkowicie losowe. To właśnie owo współistnienie przewidywalności i przypadkowości definiuje porządek rondeau.
Czytaj też: Elektrony wykorzystane jako sonda. Nigdy wcześniej to się nie udało!
Diament jako laboratorium kwantowe
Do eksperymentu wykorzystano spiny jądrowe węgla-13 w diamencie, który działał jako symulator kwantowy w temperaturze pokojowej. To istotne osiągnięcie, ponieważ większość badań kwantowych wymaga ekstremalnie niskich temperatur. Diament okazał się idealnym środowiskiem do badania tych egzotycznych faz czasowych.
Diamentowa sieć ze spinami jądrowymi węgla-13 jest idealnym środowiskiem do eksploracji tych egzotycznych faz czasowych, ponieważ naturalnie łączy stabilność, silne interakcje i łatwy odczyt. Sam diament jest niezwykle stabilny – nie reaguje chemicznie, jest niewrażliwy na zmiany temperatury i dobrze chroni spiny przed zewnętrznym szumem – zauważa Moon
Proces hiperpolaryzacji wykorzystujący centra azotowo-wakancyjne zwiększył polaryzację około tysiąckrotnie powyżej wartości równowagowej. Naukowcy zastosowali zaawansowany system sterowania z generatorem arbitralnych kształtów fal, który umożliwił wyemitowanie ponad 720 różnych impulsów w pojedynczym cyklu. Ta niezwykła precyzja kontroli była kluczowa dla zaobserwowania subtelnych efektów porządku rondeau. W regularnych odstępach spiny jądrowe odwracały polaryzację w przewidywalny sposób, demonstrując okresowe zachowanie typowe dla kryształów czasowych. Jednak pomiędzy tymi momentami polaryzacja fluktuowała losowo, bez żadnego wykrywalnego wzorca. To przypomina słuchanie utworu muzycznego, w którym główny temat regularnie powraca, a pomiędzy jego wystąpieniami słyszymy nieprzewidywalne improwizacje.
Stabilność i potencjalne zastosowania
Zaobserwowany porządek rondeau utrzymywał się przez ponad 170 okresów, co przekłada się na ponad cztery sekundy, a w niektórych przypadkach nawet ponad dziesięć sekund. W świecie kwantowym, gdzie dekoherencja zwykle niszczy delikatne stany w ułamkach sekund, to imponująco długi czas. Charakterystyczną cechą kryształu rondeau jest jego dyskretna transformata Fouriera, która wykazuje płynny, ciągły rozkład na wszystkich częstotliwościach. To zupełnie inne spektrum niż pojedynczy, ostry pik typowy dla konwencjonalnych kryształów czasowych. Ten rozkład spektralny stanowi rodzaj odcisku palca. Naukowcy zademonstrowali intrygującą możliwość kodowania informacji w temporalnym nieporządku mikroruchu. Tytuł pracy naukowej został zakodowany w dynamice spinów jądrowych, przechowując ponad 190 znaków, co odpowiada ponad 1300 bitom informacji.
Czytaj też: Jak przewidzieć przyszłość? Matematycy odpowiadają, prezentująć MALP
Wykorzystanie tunowalnego nieporządku w takich systemach mogłoby otworzyć drogę dla sensorów kwantowych lub urządzeń pamięciowych wykorzystujących stabilność w domenie czasowej. Tunowalność widma mocy może ułatwić tworzenie selektywnych częstotliwościowo sensorów kwantowych. Stabilność i żywotność porządku rondeau są kontrolowalne parametrycznie. Szybkość nagrzewania maleje kwadratowo z odchyleniem kąta impulsu i liniowo z okresem napędu, co oznacza, iż badacze mogą precyzyjnie dostrajać właściwości systemu do konkretnych potrzeb. Odkrycie poszerza krajobraz obserwowanego poza równowagowego porządku czasowego, obejmując również kryształy czasowe aperiodyczne i kwazikryształy czasowe.