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Oct 30, 2023

Due non lineari

Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3090 (2022) Citare questo articolo

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Un cristallo temporale è un sistema quantistico macroscopico in movimento periodico nel suo stato fondamentale. Nei nostri esperimenti, due cristalli temporali accoppiati costituiti da quasiparticelle con onde di spin (magnon) formano un sistema macroscopico a due livelli. I due livelli evolvono nel tempo in quanto determinati intrinsecamente da un feedback non lineare, permettendoci di costruire dinamiche spontanee a due livelli. Nel corso di un passaggio a livello, i magnoni si spostano dal livello del suolo al livello eccitato guidati dall’effetto Landau-Zener, combinato con le oscillazioni della popolazione di Rabi. Dimostriamo che i cristalli temporali Magnon consentono l'accesso a ogni aspetto e dettaglio delle interazioni quantistiche coerenti in una singola esecuzione dell'esperimento. Il nostro lavoro apre una prospettiva per il rilevamento di fermioni di Majorana legati alla superficie nel sistema superfluido sottostante e invita allo sfruttamento tecnologico di fenomeni magnonici coerenti, potenzialmente anche a temperatura ambiente.

Il moto perpetuo dello stato fondamentale in equilibrio definisce un cristallo temporale, ma osservare tale movimento è notoriamente irrealizzabile1. Le realizzazioni sperimentali del cristallo temporale piegano quindi sia il requisito dell'equilibrio2,3,4 che quello della perpetuità5,6,7, raggiungendo la stabilità solo se isolati dall'ambiente e dall'osservatore1,8,9,10. Di conseguenza, accoppiare cristalli temporali separati pur mantenendo un isolamento sufficiente è impegnativo, e i cristalli temporali non sono ancora stati studiati in un ambiente dinamico. Organizziamo dinamiche spontanee a due livelli di cristalli temporali interagenti, ciascuno costituito da 1012 magnoni, nella fase B superfluida di 3He (3He-B). In questo sistema, il tempo osservabile della vita del cristallo può essere esteso fino a mille secondi11 (109 periodi di movimento) in assenza di una forza motrice, mentre il sistema superfluido sottostante fornisce un feedback intrinseco per progettare dinamiche coerenti.

I magnoni in 3He-B sorgono come quanti di onde di spin trasversali, associati alla magnetizzazione che precede attorno al campo magnetico esterno H. Con una densità di magnoni sufficiente e una temperatura sufficientemente bassa, la precessione si sincronizza spontaneamente con frequenza uniforme ω e fase, formando un magnone di Bose –Condensato di Einstein12,13,14. La sincronizzazione spontanea può essere dimostrata pompando i magnoni ad un livello energetico più elevato nella trappola confinante da cui cadono spontaneamente allo stato fondamentale5,15, o anche pompando magnoni incoerenti nel sistema utilizzando un motore di rumore7,16. Ciò dimostra che lo stato Magnon nel BEC è disaccoppiato dall'azionamento. La precessione di spin trasversale del condensato magnonico, quindi, manifesta il caratteristico movimento periodico spontaneo di un cristallo temporale5,6.

Il cristallo del tempo può essere creato utilizzando due diverse tecniche di pompaggio. L'utilizzo di un'unità continua produce un cristallo temporale Floquet (discreto). Qui usiamo la tecnica pulsata in cui l'azionamento viene spento prima che inizi l'evoluzione del cristallo temporale. Questo approccio ci consente di studiare dinamiche e interazioni non artificiali dei cristalli temporali in assenza di applicazione esterna. La formazione temporale dei cristalli durante l'impulso di pompaggio e la sua evoluzione successiva è caratterizzata da due scale temporali. La prima scala temporale τE ~ 0,1 s descrive il tempo di termalizzazione dei cristalli17, cioè quanto velocemente la precessione diventa coerente al livello del suolo in una trappola, in seguito al pompaggio dei magnoni. La seconda scala temporale τN è la durata della vita del cristallo. In un contenitore per campioni isolato τN→∞ in modo esponenziale al diminuire della temperatura. In pratica si verificano perdite anche nel circuito accoppiato agli spin di precessione per scopi di controllo e osservazione. È quindi necessario considerare un τN finito. Il cristallo del tempo rimane ben definito finché τN ≫ τE5,6.