タイムクリスタルの作成が少し簡単になりました

宇宙の結晶を作るには、鉱物やマグマにかかる地球表面の巨大な圧力が必要です。しかし、時間の結晶を作るには、難解な方程式と途方もなく正確なレーザーが必要です。

少なくとも、物理学者たちは昨年、研究室で初めて自立型時間結晶を形作った。そして今、彼らは室温に耐えられるありふれた元素から時間結晶を作り、さらに具体的な物体に変えた。彼らはその設計を2月14日付けのネイチャー・コミュニケーションズ誌で発表した。

タイムクリスタルとは何か（SF小説以外で）と疑問に思っている方のために、つい最近まで物理学者のほとんども同じ疑問を抱いていました。タイムクリスタルは2012年まで提案されておらず、2016年までその基礎段階さえ見られなかった物質の一形態です。

量子力学のこの奇妙な章を理解するには、塩やダイヤモンドのような結晶構造を思い浮かべてください。これらの物体の奥深くにある原子は、空間内で繰り返し予測可能なパターンで配置されています。たとえば、冷凍庫から氷を取り出して、最も小さなスケールにズームすると、水分子の水素原子と酸素原子が小さな六角形のモザイクを形成しているのがわかります。（雪の結晶が六角形になることが多いのはそのためです。）

そのため、物理学者はこれらの構造を「宇宙結晶」とも呼んでいます。しかし、空間の 3 つの軸が異なる次元を形成するのと同じように、時間も次元を形成します。物理学者は、原子が時間の中で繰り返しパターンを形成する結晶、またはそれに似たものを見つけられるのではないかと考え始めました。

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過去数年にわたり、世界中の研究室が時間結晶がどのようなものか解明してきました。ある研究室では、原子が一方向に配列された宇宙結晶から着手しました。次に、微調整されたレーザーで結晶を振動させて原子を別の状態に「反転」させ、再び加熱して最初の配列に戻し、2 番目の配列に切り替えるなど、これを正確に規則的に繰り返しました。このレーザー駆動のセットアップは、特に「離散時間結晶」と呼ばれています。（理論上は、他の種類の時間結晶もあります。）

2016年、メリーランド大学の物理学者たちは、希土類金属イッテルビウムの原子を使って、基本的だが離散的な時間結晶を作成した。他のグループは、ダイヤモンドの内部やボーズ・アインシュタイン凝縮と呼ばれる物質の波状状態などのエキゾチックな環境を研究してきた。最近では、2021年11月にスタンフォード大学とグーグルの物理学者たちが、量子コンピューターで時間結晶を作成したと発表した。

しかし、初期の時間結晶には限界がありました。まず、時間結晶は通常、絶対零度をわずかに上回る極低温でしか存在できず、日常的に使用するほとんどのシステムには実用的ではありませんでした。そのため、時間結晶は量子コンピューターのように「現実世界」から離れた孤立したシステムでしか存在していませんでした。さらに、時間結晶は長持ちしませんでした。状態の変化は、糸が切れたゼンマイ仕掛けのおもちゃのように、ほんの数ミリ秒で停止してしまいます。

そして、空間結晶がパターンの繰り返しの度合いに応じて空間内で大きくなったり小さくなったりするように、時間結晶も各状態の持続時間に応じて長くなったり短くなったりします。これまでの時間結晶は短く「小さい」傾向がありました。そのため、成長の余地がありました。

そこで、この世界的な物理学者グループは、これらの問題のいくつかを回避し、できれば現実世界で機能するタイムクリスタルの設計に着手しました。彼らのデバイスは、フッ素とマグネシウムの原子から作られた直径約 2 ミリメートルのクリスタルで構成されています。パターン間の移動には 2 組のレーザーを使用し、これを華氏 70 度 (室温) で実行できます。

研究チームがシステムの微調整を終えると、これまで見たことのない「大きな」さまざまな時間結晶を生成できることがわかった。「私たちのシステムで生成された離散時間結晶の寿命は、原理的には無限です」と、カリフォルニア大学リバーサイド校の電気技師でこの研究の協力者であるホセイン・タヘリ氏は「Physics World Weekly」ポッドキャストで語った。

「物理学では一般的に、システムとその環境の間でエネルギー交換の経路があるところでは、ノイズも同じ経路から入り込んでくる」とタヘリ氏はポッドキャストで語った。これは時間結晶の形成に必要な繊細な物理法則を台無しにしてしまう可能性があり、そのため時間結晶をこのような非現実的な手段で封じ込める必要がある。しかしタヘリ氏と共同研究者は、2つのレーザーで状態変化を継続させることで、この制限を回避することができた。

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研究者たちの成果により、時間結晶は研究室の外に存在することに一歩近づいたかもしれない。もしそうだとしたら、どのような用途があるのだろうか？

タイムクリスタルをタイムマシンやワープドライブにすぐに組み込む人はいないだろうが、その精密な特性は、原子時計や特殊デバイス用のシリコンチップとうまく組み合わせられるかもしれない。あるいは、レーザー光で駆動するため、より強力な光ファイバー接続を支援できるかもしれない。あるいは、量子物理学や物質のユニークな状態をより深く理解するのに役立つかもしれない。

「私たちの装置を使えば、もっと複雑な実験で何が観察できるかを予測できる」と、カリフォルニア州パサデナのジェット推進研究所のエンジニアで、論文の著者の一人でもあるアンドレイ・マツコ氏は「Physics World Weekly」に語った。

実際、彼と彼のチームは、タイムクリスタルが「タイムトロニクス」という美しいSF風の名前を持つ研究分野全体を生み出す可能性があると考えています。

「タイムトロニクスはもうすぐ実現すると信じています」と、ポーランドのクラクフにあるヤギェウォ大学の物理学者で、この研究の共著者でもあるクリストフ・サシャ氏はポッドキャストで語った。つまり、タイムクリスタルを握れるようになるまではまだ遠いが、予想よりも早くタイムクリスタルが私たちの世界に入ってくるかもしれないのだ。