Χρονικοί Κρύσταλλοι: Το Μέλλον των Κβαντικών Ρολογιών Ακρίβειας;
Κάποτε θεωρούνταν μια ιδιομορφία της κβαντικής φυσικής, αλλά σύμφωνα με νέους υπολογισμούς, οι χρονικοί κρύσταλλοι θα μπορούσαν να αποτελέσουν ένα καλό δομικό στοιχείο για ακριβή ρολόγια και αισθητήρες.
Όλοι οι κρύσταλλοι ορίζονται από την επανάληψη – οι συμβατικοί κρύσταλλοι αποτελούνται από άτομα διατεταγμένα σε επαναλαμβανόμενα μοτίβα, και οι χρονικοί κρύσταλλοι έχουν μια επαναλαμβανόμενη δομή στον χρόνο. Εάν παρατηρήσετε έναν χρονικό κρύσταλλο για αρκετό χρονικό διάστημα, θα δείτε να επαναλαμβάνει τον ίδιο κύκλο διαμορφώσεων ξανά και ξανά. Επιπλέον, αυτός ο κύκλος προκύπτει αυθόρμητα, όχι επειδή το υλικό αναγκάζεται να το διατηρήσει, αλλά επειδή αυτή είναι η προτιμώμενη φάση του, παρόμοια με το πώς η προτιμώμενη φάση του νερού σε χαμηλή θερμοκρασία είναι ο πάγος.
Η Ludmila Viotti στο Διεθνές Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής Abdus Salam στην Ιταλία και οι συνεργάτες της έδειξαν ότι ορισμένοι χρονικοί κρύσταλλοι θα μπορούσαν να αποτελέσουν ένα καλό δομικό στοιχείο για πολύ ακριβή κβαντικά ρολόγια.
Ανέλυσαν μαθηματικά ένα σύστημα έως και 100 κβαντομηχανικών σωματιδίων, καθένα από τα οποία είχε δύο διακριτές καταστάσεις που καθορίζονται από την ιδιότητα του κβαντικού σπιν, παρόμοια με το πώς ένα νόμισμα σε ένα τραπέζι έχει δύο διακριτές καταστάσεις που καθορίζονται από την όψη που βλέπει προς τα πάνω. Το συγκεκριμένο σύστημα σπιν που μελέτησαν οι ερευνητές θα μπορούσε να γίνει ένας χρονικός κρύσταλλος ή να υπάρχει σε μια πιο συμβατική φάση που δεν ταλαντώνεται αυθόρμητα στον χρόνο και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ρολόι σε οποιαδήποτε φάση. Η ομάδα υπολόγισε πώς η απόδοση του ρολογιού που κατασκευάστηκε από σπιν – η ακρίβεια και η λεπτομέρειά του – στη φάση του χρονικού κρυστάλλου θα συγκρινόταν με ένα ρολόι που κατασκευάστηκε από σπιν σε αυτή τη “φυσιολογική” φάση.
“Στη φυσιολογική φάση, αν θέλετε να επιλύσετε μικρότερα χρονικά διαστήματα, θα χάσετε ακρίβεια εκθετικά. Στη φάση του χρονικού κρυστάλλου, για την ίδια ανάλυση, μπορείτε να έχετε πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια”, λέει η Viotti. Αν και το ρολόι που βασίζεται στο σπιν θα γινόταν κανονικά λιγότερο ακριβές αν θέλατε, για παράδειγμα, να μετρήσετε δευτερόλεπτα αντί για λεπτά, αυτό δεν συνέβη αν τα σπιν σχημάτισαν πρώτα έναν χρονικό κρύσταλλο.
Ο Mark Mitchison στο King’s College του Λονδίνου λέει ότι δεν είναι έκπληξη το γεγονός ότι ένας χρονικός κρύσταλλος θα ήταν ένα πολλά υποσχόμενο σημείο εκκίνησης για την κατασκευή ενός ρολογιού, αλλά μια αυστηρή ανάλυση αυτού του πλεονεκτήματος έλειπε μέχρι τώρα. Ο ίδιος και οι συνάδελφοί του απέδειξαν προηγουμένως ότι σχεδόν οποιαδήποτε τυχαία ακολουθία γεγονότων μπορεί να μετατραπεί σε ρολόι, αλλά ένα σύστημα που έχει αυτοσυντηρούμενες ταλαντώσεις παρέχει μια πιο ρολόι-όπως δομή από την αρχή, λέει.
“Για περίπου 10 χρόνια, γνωρίζουμε ότι οι χρονικοί κρύσταλλοι μπορούν να υπάρξουν, αλλά δεν είναι ακόμη σαφές πώς να τους αξιοποιήσουμε”, λέει ο Krzysztof Sacha στο Jagiellonian University στην Πολωνία. “Όπως ακριβώς οι συνηθισμένοι κρύσταλλοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για κοσμήματα όσο και για την κατασκευή επεξεργαστών υπολογιστών, θα θέλαμε οι χρονικοί κρύσταλλοι να επιτρέψουν και χρήσιμες τεχνολογίες.”
Οι χρονικοί κρύσταλλοι είναι απίθανο να ξεπεράσουν τα σημερινά καλύτερα ρολόγια στον κόσμο, τα οποία κατασκευάζονται από εξαιρετικά ψυχρά άτομα, λέει, αλλά θα μπορούσαν ακόμη να αποτελέσουν μια εναλλακτική λύση στη χρονομέτρηση που βασίζεται σε δορυφορικά συστήματα όπως το GPS, τα οποία μπορούν να διαταραχθούν από κακόβουλους παράγοντες. Ρολόγια κατασκευασμένα από χρονικούς κρυστάλλους θα μπορούσαν επίσης να γίνουν η βάση αισθητήρων για μαγνητικά πεδία, καθώς ακόμη και μικροσκοπικές ποσότητες τέτοιων πεδίων θα διατάρασσαν τους παλμούς των ρολογιών, λέει ο Mitchison.
Ωστόσο, απαιτείται ακόμη πολύ περισσότερη δουλειά πριν μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν πρακτικά οι χρονικοί κρύσταλλοι, λέει η Viotti. Για παράδειγμα, το σύστημα σπιν της ομάδας της θα πρέπει να συγκριθεί με άλλα συστήματα που συμπεριφέρονται ως ακριβή ρολόγια και να δοκιμαστεί σε ένα πείραμα με πραγματικά σπιν, λέει.