Folyamatosan mozgásban, energiafelhasználás nélkül
Több hónapon keresztül beszélték arról, hogy a kutatóknak sikerült időkristályokat létrehozni - furcsa kristályokat, amelyek atomszerkezete nemcsak a térben, hanem az időben is megismétlődik, ami azt jelenti, hogy folyamatosan mozognak energiafelhasználás nélkül.
Most már hivatalosan is megerősítették: a kutatók csak nemrégiben mutatták be részletesen, hogyan lehet ezeket a furcsa kristályokat létrehozni és mérni. És két független tudóscsoport azt állítja, hogy valóban sikerült időkristályokat létrehozni a laboratóriumban a megadott utasítások felhasználásával, ezáltal megerősítve egy teljesen új típusú anyag létezését.
A felfedezés teljesen absztraktnak tűnhet, de a fizika új korszakának kezdetét hirdeti, mivel évtizedek óta csak az anyagot vizsgáltuk, amely definíció szerint „egyensúlyban volt”: fémek és szigetelők.
De volt javaslatok a különféle anyagfajták létezéséről az univerzumban, amelyek nincsenek egyensúlyban és amelyeket még meg sem kezdtünk tanulmányozni, ideértve az időkristályokat is. Most tudjuk, hogy ez nem fikció.
Az a tény, hogy most van a „nem egyensúlyi” anyag első példája, áttörést eredményezhet a körülöttünk lévő világ, valamint a technológiák, például a kvantumszámítás megértésében.
„Ez egy újfajta anyag, időszak. De remek az is, hogy ez a „nem egyensúlyi” ügy egyik első példája”- mondta Norman Yao, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem vezető kutatója.
„A múlt század teljes második felében az egyensúlyban lévő anyagokat, például fémeket és szigetelőket vizsgáltuk. És csak most lépettünk be az "nem egyensúlyi" anyag területére."
Promóciós videó:
De álljunk szünetet és nézzünk vissza: az időkristályok koncepciója évek óta fennáll.
Ezeket először a Nobel-díjas fizikai teoretikus, Frank Wilczek jósolta 2012-ben. Az időkristályok olyan szerkezetek, amelyek úgy tűnik, hogy még a legkisebb energiaszint mellett is mozognak, amelyet alapállapotnak vagy nyugalmi állapotnak neveznek.
Általában, ha az anyag alapállapotban van, más néven a rendszer nulla energiájának állapota, ez azt jelenti, hogy a mozgás elméletileg lehetetlen, mert energiát igényel.
Wilczek azonban azzal érvelt, hogy ez nem vonatkozik az idő kristályaira.
A közönséges kristályokban az atomrács megismétlődik az űrben, csakúgy, mint a gyémánt szénrácsa. De, mint a rubin vagy a smaragd, nem mozognak, mert alapvető állapotukban egyensúlyban vannak.
Az időkristályokban a szerkezet ismétlődik az időben, nem csak a térben. És ezért alapállapotban vannak mozgásban.
Képzelje el a zselét. Ha megdugja az ujját, akkor rezegni kezd. Ugyanez történik az időkristályokban, de a nagy különbség az, hogy mozgásukhoz nincs szükség energiára.
Az időkristály olyan, mint egy állandó rezgő zselé a szokásos, alapállapotában, és ez teszi az új anyagfajtát - a „nem egyensúlyi” anyagot. Amely csak nem tud nyugodtan ülni.
De egy dolog megjósolni az ilyen kristályok létezését, és egy másik dolog a tényleges létrehozásukhoz, ez történt a legújabb kutatásokban.
Yao és csapata részletes diagramot készített, amelyben részletesen leírta, hogyan kell létrehozni és mérni egy időkristály tulajdonságait, sőt megjósolni, hogy mi legyen az időkristályt körülvevő különböző fázisok, más szóval, leírják az új típusú anyag szilárd, folyékony és gáz halmazállapotának megfelelőit.
Yao a Physical Review Lettersben megjelent cikket "hídnak hívta az elméleti ötlet és a kísérleti megvalósítás között".
És ez egyáltalán nem spekuláció. Yao utasításait követve két független csoport - az egyik a Marylandi Egyetemen, a másik a Harvardon - sikerült létrehozni saját időkristályaikat.
Mindkét tanulmány eredményét tavaly év végén jelentették be az arXiv.org oldalon (itt és itt), és közzétették szakértő által felülvizsgált folyóiratokba. Yao mindkét cikk társszerzője.
Amíg a kiadványokat várjuk, érdemes szkeptikusak maradni a kijelentésekkel kapcsolatban. Ugyanakkor az a tény, hogy két független csoportnak sikerült időkristályokat létrehozni ugyanazon séma alapján, teljesen más körülmények között, ígéretesnek tűnik.
A Marylandi Egyetemen időkristályokat készítettek 10 ytterbiumionból álló láncból, mindegyik összefonódott elektronpörgetéssel.
Ennek a bázisnak az idő kristályává történő átalakításának kulcsa az ionok egyensúlytalanságban tartása volt, és ehhez két lézerrel egymás után megütötte őket. Az egyik lézer mágneses teret hozott létre, a másik lézer részlegesen tekercselte az atomok forgásait.
Mivel az atomok centrifugái kezdetben összefonódtak, hamarosan bejuttak a stabil, ismétlődő centrifugálási mintázatba, amely meghatározza a kristályt.
Ez normális volt, de ahhoz, hogy időkristálysá váljon, a rendszernek időben meg kellett szakítania a szimmetriát. Az ytterbium atomok láncának megfigyelése közben a kutatók valami szokatlanat észleltek.
Két lézer, amelyek periodikusan megsemmisítik az ytterbium atomokat, ismétlődést okoztak a rendszerben, kétszer olyan hosszú időszakkal, mint a „sokkok” periódusa, pontosan ez az, ami nem fordulhat elő egy normál rendszerben.
- Nem lenne nagyon furcsa, ha megpiszkálja a zselét, és úgy találja, hogy különböző időtartamokkal reagál rá? - magyarázza Yao.
„De ez az időkristály jellege. Van valamilyen kórokozója, amelynek T periódusa van, de a rendszer valamilyen módon szinkronizálva van, és a mozgását egy T-t meghaladó időszakban figyeli."
A mágneses tértől és a lézer pulzációjától függően az időkristály megváltoztathatja fázisát, mint egy olvadó kocka.
A Harvardból származó Crystal más volt. A kutatók a gyémántban található sűrű nitrogén kiürülési központok felhasználásával készítették, de ugyanazzal az eredménnyel jöttek létre.
"Két nagyon eltérő rendszerből származó hasonló eredmények megerősítik, hogy az időkristályok az anyag széles körben elterjedt formája, és nem olyan furcsa tulajdonság, amelyet csak egy kicsi, speciális rendszerben lehet megfigyelni" - magyarázza Phil Rifermey az Indianai Egyetemen egy kísérő tanulmányban. munkadokumentum, nem vett részt a tanulmányban, de áttekintette a cikket.
"Az időkristály megfigyelése … megerősíti, hogy a szimmetria törése a természet minden területén megtörténhet, és ez új területeket nyit a kutatás számára."
Yao diagramját a Physical Review Letters-ben tették közzé, itt olvashat egy Harvard-cikkben az időkristályokról, és itt található a Marylandi Egyetemi cikk.