永久運動が可能に -アールト大学低温研究所の科学者たちは、物理法則を曲げる2つの時間結晶の相互作用を観察した(Perpetual motion is possible – Scientists at Aalto University’s Low Temperature Lab observed the interaction of two time-crystals that bend the laws of physics)

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2022-06-10 フィンランド・アールト大学

・時間結晶は、外部からエネルギーを入力することなく、粒子が永久に繰り返されるサイクルで動く物質の相である。
・研究者らは、アールト大学の低温研究所で2つの時間結晶を作成し、その相互作用を観察することができました。将来的には、時間結晶は量子コンピュータのメモリ部品などのデバイスに応用されるかもしれません。
・「永久機関が不可能であることは誰もが知っている。しかし、量子物理学では、観測されない限り、永久運動そのものは可能なのです。粒子をその環境に弱く接続することで、最大2つの時間結晶を作り、それらを相互作用させることができました」と、アールトで実験を行ったランカスター大学の研究者サムリ・アッティは言う。
・研究者たちは、ヘリウム3超流体を絶対零度から1万分の1度まで下げた。つまり、温度はちょうど-273,15 °Cになった。その後、液体の中に2つの時間結晶を作り出した。これは、量子現象としては驚異的に長い時間である。そのため、2つの結晶の属性や相互作用を観察することができた。
・実験中、時間結晶は2レベルの量子系を形成した。これは、2つの独立した量子状態が組み合わされたもので、同時に両方の状態を占めることができる。
・時間結晶が2レベルの量子系を形成したことから、量子コンピュータの記憶装置などに利用できる可能性がある。時間結晶は室温で生存できるため、室温で動作する量子デバイスへの道を開くかもしれない。マキネン教授は、時間結晶の研究は新しい分野であり、実用化はあくまでも推測に過ぎないという。

<関連情報>

量子時間結晶の非線形2レベルダイナミクス Nonlinear two-level dynamics of quantum time crystals

S. Autti,P. J. Heikkinen,J. Nissinen,J. T. Mäkinen,G. E. Volovik,V. V. Zavyalov & V. B. Eltsov
Nature Communications  Published:02 June 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-30783-w

Abstract

A time crystal is a macroscopic quantum system in periodic motion in its ground state. In our experiments, two coupled time crystals consisting of spin-wave quasiparticles (magnons) form a macroscopic two-level system. The two levels evolve in time as determined intrinsically by a nonlinear feedback, allowing us to construct spontaneous two-level dynamics. In the course of a level crossing, magnons move from the ground level to the excited level driven by the Landau-Zener effect, combined with Rabi population oscillations. We demonstrate that magnon time crystals allow access to every aspect and detail of quantum-coherent interactions in a single run of the experiment. Our work opens an outlook for the detection of surface-bound Majorana fermions in the underlying superfluid system, and invites technological exploitation of coherent magnon phenomena – potentially even at room temperature.

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