世界で初めて時間結晶の振動を映像で捉えることに成功

原子や分子が空間的な周期性を持って配列された物質が「結晶」で、この周期性を時間方向にも拡張した特異な物質が「時間結晶」です。2016年に世界で初めて生成に成功した時間結晶ですが、世界で初めてその振動の様子を映像で捉えることに成功しています。

World's first video recording of a space-time crystal | Max-Planck-Gesellschaft
https://www.mpg.de/16401528/world-s-first-video-recording-of-a-space-time-crystal

For The First Time, Physicists Have Filmed The Oscillation of a Time Crystal
https://www.sciencealert.com/watch-the-first-ever-video-of-a-time-crystal-oscillating

「時間結晶」は空間方向だけでなく時間方向にも周期性を持った物質で、マサチューセッツ工科大学の物理学者であるフランク・ウィルチェック氏が提唱したものです。粒子の規則的配列が三次元空間だけでなく時間方向にも広がっているため、四次元の結晶構造を持っているというのが時間結晶の特徴であり、その特異な構造から「実現不可能である」とされていました。

しかし、2016年10月にメリーランド大学のクリス・モンロー教授が率いる研究チームが世界で初めて時間結晶の作成に成功しました。時間結晶を作成するための基本工程はとても単純で、イオン群のような量子系をリング状に作成し、エネルギーの状態が最も低くなるまで冷却します。すると、物理法則的にはリングが完全に静止することになり、時間結晶が生成されるそうです。

世界で初めて「時間結晶」の生成に成功 - GIGAZINE

by Clint Budd

そんな時間結晶の振動の様子が、世界で初めて映像で記録されました。研究チームは走査型透過X線顕微鏡を用い、準粒子のマグノンを用いて生成された時間結晶の振動をリアルタイムで撮影することに成功しました。

以下が実際に撮影された時間結晶が振動する様子を捉えたムービーで、最大400億フレーム毎秒で撮影されています。

Space-Time Crystal - YouTube


時間結晶の振動の様子を撮影することに成功したのは、ポーランドにあるアダム・ミツキェヴィチ大学の物理学者Pawel Gruszecki氏ら研究チーム。Gruszecki氏は「今回の発表で時間結晶がこれまで考えられてきたよりもはるかに堅牢で、広く存在していることを示すことができました」と語っています。今回の撮影に用いられたマグノン製の時間結晶について、Gruszecki氏は「多くの可能性を秘めた応用につながる可能性があります」と語りました。

多くの科学者は準粒子のマグノンとボース＝アインシュタイン凝縮を用いることで、時間結晶を生成します。しかし、Gruszecki氏ら研究チームは無線周波数を用いて電流を送ることができる帯磁パーマロイを使用するという異なるアプローチを取っています。帯磁パーマロイに電流を流すと振動磁場が生成され、磁気の波が発生。この磁気の波がパーマロイ内のマグノンを刺激し、移動するマグノンは周期的なパターンに凝縮し、時間結晶となるそうです。

Gruszecki氏と共に時間結晶の振動を撮影したドイツのMax Planck Institute for Intelligent Systemsの学生であるNick Träger氏は、「時間結晶がほかの準粒子と相互作用できることを示すことができました。ムービーはもちろんのこと、実験でこれを直接示したものはこれまでありませんでした」と語っています。

時間結晶は理論的には可能な限り低いエネルギー状態で振動するため、長期間にわたって安定してコヒーレンスが高い必要があります。Gruszecki氏ら研究チームの提案するマグノンを用いた時間結晶の生成方法は、時間結晶を簡単に操作でき、生成も簡単なため、これまでにない「時間結晶の実用的な応用」への扉を開く鍵となる可能性があるとのこと。

時間結晶の具体的な応用の方向性としては、通信・レーダー・イメージング技術などが挙げられています。