Laikyti visiškai tikslų laiką yra kur kas sudėtingiau, nei gali pasirodyti. Pačiuose tiksliausiuose pasaulio laikrodžiuose, naudojamuose GPS navigacijai, palydoviniam ryšiui ir fundamentiniams fizikos dėsniams tirti, pasitelkiami itin tiksliai valdomi atomai ir lazeriai.
Tokie laikrodžiai yra nepaprastai tikslūs, tačiau jie dideli, eikvoja daug energijos ir sunkiai pritaikomi už specializuotų laboratorijų ribų.
Naujas matematinis tyrimas rodo, kad neįprasta medžiagos būsena, vadinamoji laiko kristalu, galėtų pasiūlyti stabilesnį ir potencialiai paprastesnį būdą laikui matuoti. Tyrime parodoma, kad laiko kristalai, bent teoriniu požiūriu, gali pranokti įprastus kvantinių laikrodžių modelius išlaikant tikslumą – ypač matuojant itin trumpus laiko intervalus.
Tyrimo autoriai teigia, kad „kvantiniai laiko kristalai iš tiesų yra tikri kvantiniai laikrodžiai, kurių veikimas pagerėja dėl savaiminio laiko transliacijos simetrijos pažeidimo“. Laiko transliacijos simetrija reiškia, kad fizikos dėsniai laikui bėgant nesikeičia.
Atominiams laikrodžiams reikia sudėtingų sistemų
Norint suprasti, ką ištyrė mokslininkai, pirmiausia verta paaiškinti, kaip veikia patys tiksliausi šių dienų laikrodžiai.
Šiuolaikiniai optiniai atominiai laikrodžiai atomus ar jonus atšaldo iki itin žemos temperatūros naudodami lazerius. Vėliau lazeriais sužadinami šių atomų elektronai – jie pakeliami į aukštesnius energijos lygius. Elektronams grįžtant į pradinę būseną, išspinduliuojama šviesa labai tiksliomis, pastoviomis dažnių reikšmėmis.
Šie optiniai dažniai yra nepaprastai stabilūs ir gerokai aukštesni nei mikrobangų signalai, anksčiau naudoti tradiciniuose atominiuose laikrodžiuose, todėl leidžia matuoti laiką kur kas tiksliau. Tačiau tai turi savo kainą.
Tokios sistemos reikalauja nuolatinio išorinio sužadinimo, galingų lazerių ir labai kruopštaus izoliavimo nuo aplinkos trikdžių. Išlaikyti tokį stabilumą yra techniškai sudėtinga ir labai energiškai imlu.
Pasak tyrimo autorių, dėl didelio tokių laikrodžių sudėtingumo ir energijos sąnaudų atsiranda įvairių kompromisų, kuriuos iki galo įvertinti dar tebėra atviras iššūkis.
Laiko kristalai siūlo alternatyvų požiūrį. Fizinėje prasme kristalas – tai bet kuri sistema, turinti pasikartojantį raštą erdvėje, pavyzdžiui, tvarkingą atomų išsidėstymą druskoje ar deimante. Tuo tarpu laiko kristalas pasižymi pasikartojimu ne erdvėje, o laike.
Jo vidinė sandara periodiškai virpa nusistovėjusiu ritmu, be nuolatinio įprastai suvokiamos energijos sunaudojimo. Pirmą kartą eksperimentiškai pademonstruoti 2016 metais, laiko kristalai patraukė fizikų dėmesį, nes jų judėjimas atrodo kylantis iš pačių sistemos vidinių sąveikų.
Tyrimo autoriai nusprendė patyrinėti, ar šis savaime išlaikomas ritmas galėtų veikti kaip laikrodis.
Kaip tikrinta laiko kristalų „laikrodinė“ funkcija?
Tam sukurta matematinė sistema, aprašanti 100 kvantinių dalelių sistemą. Kiekviena dalelė galėjo būti vienoje iš dviejų sukinio (spino) būsenų – „aukštyn“ arba „žemyn“. Net ir turint tik dvi galimas būsenas, 100 dalelių gali sudaryti milžinišką skaičių kolektyvinių spino išsidėstymų.
Mokslininkai nagrinėjo, kaip šios kolektyvinės būsenos kinta laikui bėgant. Jie analizavo dvi skirtingas sistemos veikimo fazes. Pirmoji buvo įprasta fazė, kai bendras dalelių sukinys virpa tik tuomet, kai sistema yra veikiama išoriniu lazerio lauku.
Antroji – laiko kristalinė fazė, kurioje pasikartojantis kolektyvinio elgesio raštas atsiranda savaime, be nuolatinio išorinio sužadinimo.
Komanda įvertino, kaip gerai kiekviena iš šių fazių gali matuoti laiką. Praktiniu požiūriu buvo tikrinama, kokiu tikslumu sistema gali atskirti vis trumpesnius laiko intervalus. Artėjant prie itin smulkaus skyrimo, įprastoje fazėje laikrodžio tikslumas greitai ėmė prastėti.
Priešingai, laiko kristalinė fazė išliko gerokai atsparesnė. Jos vidinis ritmas suteikė stabilesnį etaloninį signalą tomis pačiomis sąlygomis. Taip parodyta, kad laiko kristalo vidinės osciliacijos gali geriau atsispirti tikslumo praradimui nei iš išorės sužadinamos sistemos.
Kol kas – tik teorija, tačiau perspektyvos didelės
Šiuo metu rezultatai yra teoriniai, todėl norint sukurti realiai veikiantį laiko kristalo laikrodį, reikės didelio technologinio proveržio. Tikrose fizinėse sistemose visada pasireiškia triukšmas, netobulumai ir aplinkos poveikis, kuriuos labai sunku tiksliai aprašyti modeliais.
Vis dėlto tyrimas pateikia tvirtą matematinį pagrindą, rodantį, kad ateityje laiko kristalai galėtų tapti naujo tipo kvantinių laikrodžių baze.
Jei tokius laikrodžius pavyktų realizuoti eksperimentiškai, jie galėtų turėti įtakos daugeliui technologijų – nuo ypač saugaus ryšio sistemų iki pažangios navigacijos sprendimų.
