Nenehno v gibanju, ne da bi porabljali energijo
Že nekaj mesecev se govori, da so raziskovalcem uspeli ustvariti časovne kristale - čudne kristale, katerih atomska struktura se ponavlja ne le v vesolju, ampak tudi v času, kar pomeni, da se nenehno premikajo brez porabe energije.
Zdaj je bilo uradno potrjeno: Raziskovalci so šele pred kratkim podrobno razkrili, kako ustvariti in meriti te čudne kristale. In dve neodvisni skupini znanstvenikov trdijo, da jim je v laboratoriju dejansko uspelo ustvariti časovne kristale s pomočjo priloženih navodil in s tem potrdili obstoj popolnoma nove vrste snovi.
Odkritje se morda zdi povsem abstraktno, vendar napoveduje začetek nove dobe v fiziki, saj smo dolga desetletja preučevali samo materijo, ki je bila po definiciji "v ravnovesju": kovine in izolatorji.
Toda obstajali so predlogi o obstoju v vesolju različnih čudnih vrst snovi, ki niso v ravnovesju in ki jih sploh nismo začeli preučevati, vključno s časovnimi kristali. Zdaj vemo, da to ni fikcija.
Že samo dejstvo, da imamo zdaj prvi primer 'neuravnotežene' materije, bi lahko privedlo do preboja našega razumevanja sveta okoli nas in tehnologij, kot je kvantno računanje.
"To je nova vrsta zadeve, obdobje. Hladno pa je tudi, da je to eden prvih primerov "neuravnotežene" materije, "pravi vodilni raziskovalec Norman Yao s kalifornijske univerze Berkeley.
"Vso drugo polovico prejšnjega stoletja smo preučevali materijo v ravnotežju, kot so kovine in izolatorji. In šele zdaj smo stopili na ozemlje 'neuravnotežene' materije."
Promocijski video:
Toda počakajmo in pogledamo nazaj, koncept časovnih kristalov obstaja že nekaj let.
Prvi jih je leta 2012 napovedal nobelov teoretik fizike Frank Wilczek. Časovni kristali so strukture, za katere se zdi, da so v gibanju tudi na najmanjši ravni energije, znani kot talno stanje ali stanje mirovanja.
Običajno, če je materija v zemeljskem stanju, znano tudi kot stanje ničelne energije sistema, to pomeni, da je gibanje teoretično nemogoče, ker zahteva energijo.
Toda Wilczek je trdil, da to ne velja za kristale časa.
V navadnih kristalih se atomska mreža ponavlja v vesolju, tako kot ogljikova rešetka diamanta. Toda kot rubin ali smaragd se ne premikajo, ker so v osnovnem stanju ravnovesja.
In v časovnih kristalih se struktura ponavlja tudi v času, ne le v vesolju. In zato so v gibanju v osnovnem stanju.
Predstavljajte si žele. Če ga potisnete s prstom, bo začel vibrirati. Enako se dogaja v kristalih časa, vendar je velika razlika ta, da za premikanje ne potrebujejo energije.
Časovni kristal je kot nenehno vibrirajoči žele v svojem običajnem, osnovnem stanju, zato je to nova vrsta snovi - "neravnovesja". Kar preprosto ne more sedeti mirno.
Toda ena stvar je napovedati obstoj takšnih kristalov in čisto drugo dejansko ustvariti, kar se je zgodilo v zadnjih raziskavah.
Yao in njegova ekipa sta ustvarila podroben diagram, v katerem sta podrobno opisala, kako ustvariti in izmeriti značilnosti časovnega kristala in celo napovedati, kakšne naj bi bile različne faze okoli časovnega kristala, z drugimi besedami, opisali so ekvivalente trdnih, tekočih in plinastih stanj nove vrste snovi.
Yao je članek, objavljen v reviji Physical Review Letters, označil za "most med teoretično idejo in eksperimentalnim izvajanjem."
In to sploh niso špekulacije. Dve neodvisni skupini - ena z univerze v Marylandu in druga s Harvarda - sta po navodilih Jaoa uspela ustvariti svoje časovne kristale.
Rezultati obeh študij so bili objavljeni konec lanskega leta na arXiv.org (tukaj in tukaj), poslani pa so v objavo za strokovne revije. Yao je soavtor obeh člankov.
Medtem ko čakamo na objave, je vredno ostati skeptičen do izjav. Toda samo dejstvo, da sta dvema neodvisnima skupinama uspeli ustvariti časovne kristale po isti shemi v popolnoma različnih pogojih, se sliši obetavno.
Na univerzi v Marylandu so ustvarili časovne kristale iz verige z 10 yterbium ioni, vsi z zapletenimi vrtljaji elektronov.
Ključno, da se ta podlaga spremeni v kristal časa, je bilo, da se ioni zadržijo v neravnovesju in da bi to storili, so bili na vrsti udarci iz dveh laserjev. En laser je ustvaril magnetno polje, drugi laser je delno odvil vrtenja atomov.
Ker so se spinovi atomov sprva zapletli, so kmalu vstopili v stabilen, ponavljajoč se vzorec vrtenja, ki definira kristal.
To je bilo normalno, a da bi postal kristal časa, je moral sistem pravočasno prekiniti simetrijo. Medtem ko so opazovali verigo atomov itterbija, so raziskovalci opazili nekaj nenavadnega.
Dva laserja, ki ju občasno udarjajo atomi itterbija, sta povzročila ponavljanje v sistemu z obdobjem, dvakrat večjim od obdobja "šokov", kar se v normalnem sistemu ne bi moglo zgoditi.
"Ali ne bi bilo zelo čudno, če bi pokadili žele in ugotovili, da nanj reagira z različnimi časovnimi obdobji?" - pojasni Yao.
"Toda to je narava časovnega kristala. Imate neke vrste patogena z obdobjem T, vendar je sistem nekako sinhroniziran in opazujete njegovo gibanje z obdobjem, ki presega T."
Glede na magnetno polje in pulzacijo laserja lahko časovni kristal spremeni svojo fazo, kot talilna kocka.
Kristal s Harvarda je bil drugačen. Raziskovalci so ga ustvarili z uporabo gosto prostih mest za dušik v diamantu, vendar so dosegli enak rezultat.
"Ti podobni rezultati dveh zelo različnih sistemov potrjujejo, da so časovni kristali razširjena oblika materije in ne kakšna radovedna lastnost, ki jo opazimo le v majhnem, posebnem sistemu," razloži Phil Rifermey z univerze Indiana v spremljajoči študiji. delovnega zaznamka, v raziskavi ni sodeloval, ampak je članek pregledal.
"Opazovanje tega enotnega kristala časa potrjuje, da se lahko simetrija poruši na vseh območjih narave in to odpira nova področja za raziskovanje."
Yao-jev diagram je bil objavljen v reviji Physical Review Letters, tukaj pa si lahko preberete papir s Harvarda o časovnih kristalih, tukaj pa papir Univerze v Marylandu.