Σπάζοντας τη συμμετρία ισοτιμίας-χρόνου στο κβαντικό βασίλειο

Για πρώτη φορά, ερευνητές παρατήρησαν σπάσιμο σε ένα απλό κβαντικό σύστημα. Η παρατήρηση – και το πώς έγινε η παρατήρηση – έχει ενδεχόμενες επιπτώσεις για τη φυσική πέρα από την τυπική κατανόηση του πώς κβαντικά σωμάτια αλληλεπιδρούν για να παραχθεί ύλη και επιτρέπουν τον κόσμο να λειτουργεί όπως τον ξέρουμε. Οι ερευνητές δημοσίευσαν τα αποτελέσματα στο περιοδικό Science, της 31ης Μαΐου.

Με το όνομα συμμετρία ισοτιμίας-χρόνου  [parity-time (PT) symmetry], ο μαθηματικός όρος περιγράφει τις ιδιότητες ενός κβαντικού συστήματος – την εξέλιξη του χρόνου για ένα κβαντικό σωμάτιο, καθώς επίσης αν το σωμάτιο είναι άρτιο ή περιττό. Ανεξάρτητα αν το σωμάτιο κινείται προς τα εμπρός ή προς τα πίσω στο χρόνο, η κατάσταση περιττότητας ή αρτιότητας παραμένει η ίδια στο ισορροπημένο σύστημα. Όταν η ισοτιμία αλλάζει, η ισορροπία του συστήματος – η συμμετρία του συστήματος – σπάει.

Με σκοπό την καλύτερη κατανόηση των κβαντικών αλληλεπιδράσεων και την ανάπτυξη συσκευών επόμενης γενιάς, οι ερευνητές πρέπει να είναι ικανοί να ελέγξουν τη συμμετρία των συστημάτων. Εάν μπορούν να σπάσουν τη συμμετρία, θα μπορούν να διαχειριστούν την κατάσταση σπιν των κβαντικών σωματίων καθώς αλληλεπιδρούν, οδηγώντας σε ελεγχόμενα και προβλεπόμενα αποτελέσματα.

«Η εργασία μας είναι σχετική με αυτόν τον κβαντικό έλεγχο», ανέφεραν συντελεστές της μελέτης που χρησιμοποίησαν ως πλατφόρμα ένα κενό αζώτου κέντρο σε διαμάντι. Το άτομο αζώτου με ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο, που περιβάλλεται από άτομα άνθρακα, δημιουργεί ένα τέλειο θάλαμο για την περαιτέρω διερεύνηση της συμμετρίας PT του ηλεκτρονίου. Το ηλεκτρόνιο είναι ένα σύστημα μονού σπιν, που σημαίνει ότι οι ερευνητές μπορούν να χειρίζονται το όλο σύστημα απλά αλλάζοντας την εξέλιξη της κατάστασης του σπιν του ηλεκτρονίου.

Μέσω αυτού που αποκαλούν μέθοδο διαστολής, οι ερευνητές εφάρμοσαν ένα μαγνητικό πεδίο στον άξονα του κενού αζώτου κέντρου, τραβώντας το ηλεκτρόνιο σε μια κατάσταση διεγερσιμότητας. Στη συνέχεια εφάρμοσαν ταλαντευόμενους μικροκυματικούς παλμούς, αλλάζοντας την ισοτιμία και την κατεύθυνση του χρόνου του συστήματος και προκαλώντας σπάσιμο και διάσπαση με το χρόνο.

«Λόγω της καθολικότητας της μεθόδου μας και της υψηλής δυνατότητας ελέγχου της πλατφόρμας μας, αυτή η εργασία ανοίγει δρόμους για την πειραματική μελέτη ορισμένων νέων φυσικών φαινομένων που σχετίζονται με την συμμετρία PT», αναφέρουν οι ερευνητές. «Η πληροφορία που εξάγεται από τέτοιες δυναμικές διευρύνει και βαθαίνει την κατανόησή μας για την κβαντική φυσική.

Η εργασία ανοίγει την πόρτα για τη μελέτη της εξωτικής φυσικής με μη κλασικά κβαντικά συστήματα».