正しい時を刻みつづける「時計結晶」を融合させることに成功!

physics

上の図は「空間的」に繰り返される構造による結晶だが、時間結晶は「時間的」に繰り返される構造をもっている/Credit:depositphotos
point
  • 通常の結晶は空間的にパターンを繰り返すが時間結晶は時間的にパターンを繰り返す
  • 2つの異なる時間結晶を融合することにはじめて成功した
  • 時間結晶は原子時計や水晶振動子(クオーツ)時計の代替になる

時間結晶の結合にはじめて成功しました。

液体を冷やしていくと、原子が「空間的」に規則正しいパターンを形成し、結晶になります。

しかし最先端を行く物理学者には、このありふれた現象が全く新しい世界へのヒントになったようです。

2012年にノーベル賞を受賞したフランク・ウィルチェック教授は、この結晶生成という現象を、アインシュタインの相対性理論という色眼鏡を通してみることにしました。

結果、空間的に規則正しいパターンを作る結晶があるならば、「時間的」に規則正しいパターンを作る時間結晶も存在するのではないか? と考えました。

アインシュタインの相対性理論においては空間と時間が同等であるとされており、空間で起こることは、時間でも起こりえると考えられているからです。

4年後、ウィルチェック教授の仮説は実証されます。

2016年、カリフォルニア大学の研究者らによって、電子の回転方向が一定時間ごとに反対になる、最初の時間結晶が作り出されたからです。

ですが今回、フィンランドのアールト大学の研究者は、新たに生成された2つの時間結晶を相互作用させ、一方の構成粒子を他方に移動し結合させることに成功しました。

時間結晶の発見からわずか4年。理論提唱から8年。

私たちの知らないところで、先端物理学は遥か彼方に進んでいるようです。

これから時間結晶の結合に至るまでの過程と実験を深堀りしていきたいと思います。

2つの時間結晶を生成して融合させる

ヘリウム3を1万分の1Kまで冷却するのに使われた回転式冷却器/Credit:アールト大学

時間結晶とは、2016年に初めて発見された物質の状態であり、外部からの干渉に耐え、時間に対して一定のパターン運動を繰り返すという奇妙な性質を持っています。

この変わった物質は多くの物理学者の興味を引き付け、2016年以降、多くの時間結晶が作成されてきました。

しかし今日に至るまで、独立した時間結晶どうしの相互作用は研究されていませんでした。

時間結晶を近距離で2つ同時に生成するのがそもそも困難である上に、相互作用させた時に何が起こるのかを正確に測定することが困難だったからです。

しかし今回、フィンランドのアールト大学の研究者たちは、それら難関を乗り越え、2つの時間結晶の相互作用を測定することに成功したのです。

ヘリウム3を極低温状態に冷却してエネルギーを加えると上下2つの時間結晶が生成される。これら時間結晶の維持にはエネルギーが必要である/Credit:nature materials

実際の実験にあたっては上の図のような装置が作られました。

この装置の内部では中性子を1つ欠いた、希少な「ヘリウム3」が絶対零度近く(0.0001K:1万分の1度)まで冷却されています。

この状態の時に、左右のコイルを使ってエネルギーを与えると、中央の「ヘリウム3」の上部に、電子の回転方向が時間周期的に変化する、独立した2つの時間結晶(赤と青)が生成されます。

次に研究者はコイルから発せられるエネルギーを調節して、2つの時間結晶を接近させてみました。

コイルには測定器としての役割もあり、時間結晶どうしの相互作用も測定することができるようになっています。

上下2つの時間結晶は融合部分で同じ周波数を発するようになる/Credit:nature materials

結果、2つの時間結晶はそれぞれの構成粒子を交換したにもかかわらず、結晶状態が維持されていることが判明しました

また興味深いことに、2つの時間結晶間での粒子交換は日常の生活で起こるような単なる混ぜ合わせ(牛乳と水の混合のようなもの)ではなく、量子力学におけるトンネル効果によって移動していることがわかりました。

とは、粒子が物理的な壁やエネルギー的な障壁を無視して、あたかもトンネルを抜けたかのように反対側に現れる現象です。

このは古典的な物理学では説明できない現象であるものの、現在では電子顕微鏡やフラッシュメモリなど数多くの装置に利用されています。

どうやら時間結晶間の粒子の移動にも、古典的な物理世界とは異なる仕組みが働いているようです。

時間結晶は歯車・水晶・原子に続いて新しく時を刻む

歯車・水晶振動子・原子ときて次に時計の時を刻むのは時間結晶になるかもしれない/Credit:wikipedia

今回の研究により、2つの時間結晶を相互作用させる基礎的な方法と、構成粒子の状態の測定方法が明らかになりました。

時間結晶は外部からの干渉があっても、構成する粒子の時間的な変動パターンが保たれることが知られており、時計に組み込むことで完璧な時刻を維持することが可能になるかもしれません。

現在の腕時計の多くは水晶振動子を用いたクオーツ時計ですが、時間結晶の完璧な振動周期は、水晶振動子を上回る精度を発揮できると考えられます。

また正確な振動パターンはジャイロスコープやGPSなど、既存の原子時計に依存するシステムの改善にもつながるでしょう。

歯車、水晶、原子と続いた時間の新たな一歩は、時間結晶によって刻まれるようになるかもしれませんね。

 

研究内容はフィンランド、アールト大学のS.Autti氏らによってまとめられ、8月17日に学術雑誌「Nature materials」に掲載されました。

AC Josephson effect between two superfluid time crystals
https://www.nature.com/articles/s41563-020-0780-y

なぜ人間は99%空洞なのに壁を通り抜けられないの?

reference: phys / written by katsu
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