Konstantno u pokretu, bez trošenja energije
Već nekoliko mjeseci govori se kako su istraživači uspjeli stvoriti vremenske kristale - čudne kristale čija se atomska struktura ponavlja ne samo u prostoru, već i u vremenu, što znači da se oni neprestano kreću bez trošenja energije.
Sada je i službeno potvrđeno: Istraživači su tek nedavno detaljno otkrili kako stvarati i mjeriti ove čudne kristale. A dvije neovisne skupine znanstvenika tvrde da su zapravo uspjeli stvoriti vremenske kristale u laboratoriju, koristeći priložene upute, potvrđujući tako postojanje potpuno nove vrste materije.
Otkriće se može činiti potpuno apstraktnim, ali najavljuje početak nove ere u fizici, jer smo desetljećima proučavali samo materiju, koja je po definiciji bila "u ravnoteži": metali i izolatori.
Ali bilo je prijedloga o postojanju u Svemiru raznih čudnih vrsta materije, koje nisu u ravnoteži i koje još nismo ni započeli proučavati, uključujući vremenske kristale. Sada znamo da to nije fikcija.
Sama činjenica da sada imamo prvi primjer 'neravnotežne' materije mogla bi dovesti do proboja u našem razumijevanju svijeta oko nas, kao i tehnologija poput kvantnog računanja.
"Ovo je nova vrsta stvari, razdoblje. Ali također je cool što je ovo jedan od prvih slučajeva 'neravnotežne' materije ", kaže vodeći istraživač Norman Yao sa Kalifornijskog sveučilišta, Berkeley.
„Čitavu drugu polovicu prošlog stoljeća proučavali smo materiju u ravnoteži, poput metala i izolatora. I tek smo sada zakoračili na teritorij 'neravnotežne' materije."
Promotivni video:
Ali zastanimo i osvrnimo se, koncept vremenskih kristala postoji već nekoliko godina.
Prvo ih je predvidio teoretičar nobelove nagrade za fiziku Frank Wilczek u 2012. godini. Vremenski kristali su strukture za koje se čini da su u pokretu čak i na najmanjoj razini energije poznate kao prirodno stanje ili stanje mirovanja.
Obično, ako je materija u prizemnom stanju, poznata i kao stanje nulte energije u sustavu, to znači da je gibanje teoretski nemoguće, jer zahtijeva energiju.
Ali Wilczek je tvrdio da se to ne odnosi na kristale vremena.
U običnim se kristalima atomska rešetka ponavlja u svemiru, baš kao i ugljikova rešetka dijamanta. Ali, poput rubina ili smaragda, oni se ne kreću jer su u osnovnom stanju ravnoteže.
A u vremenskim kristalima struktura se također ponavlja u vremenu, ne samo u prostoru. I zato su u pokretu u osnovnom stanju.
Zamislite žele. Ako ga gurnete prstom, počet će vibrirati. Ista se stvar događa u kristalima vremena, ali velika je razlika ta što za kretanje im nije potrebna energija.
Vremenski kristal je poput stalno vibrirajuće mliječi u svom uobičajenom, osnovnom stanju, i to je ono što ga čini novom vrstom materije - 'neravnotežnom' materijom. Koje jednostavno ne može mirno sjediti.
Ali jedno je predvidjeti postojanje takvih kristala, a sasvim drugo je zapravo stvoriti ih, što se i dogodilo u posljednjim istraživanjima.
Yao i njegov tim stvorili su detaljan dijagram u kojem su detaljno opisali kako stvoriti i izmjeriti karakteristike vremenskog kristala, pa čak i predvidjeti kakve bi trebale biti različite faze oko vremenskog kristala, drugim riječima, opisali su ekvivalente čvrstog, tekućeg i plinovitog stanja nove vrste materije.
Yao je članak objavljen u časopisima Physical Review Letters "most između teorijske ideje i eksperimentalne primjene".
A to uopće nije nagađanje. Slijedom Yaoovih uputa, dvije su neovisne skupine - jedna sa Sveučilišta Maryland, a druga s Harvarda - uspjele stvoriti vlastite kristale vremena.
Rezultati oba istraživanja objavljeni su krajem prošle godine na arXiv.org (ovdje i ovdje) i poslani su časopisima sa recenzijom. Yao je bio autor oba članka.
Dok čekamo objave, vrijedno je ostati skeptičan prema izjavama. Ali sama činjenica da su dvije neovisne skupine uspjele stvoriti vremenske kristale koristeći istu shemu u potpuno različitim uvjetima, zvuči obećavajuće.
Na Sveučilištu u Marylandu vremenski kristali stvoreni su iz lanca 10 yterbijum-iona, svi sa zapetljanim vrtnjama elektrona.
Ključ za pretvaranje ove baze u kristal vremena bilo je zadržavanje iona u neravnoteži, a za to su ih s druge strane pogodili dva lasera. Jedan laser stvorio je magnetsko polje, drugi laser djelomično je odmotao spinove atoma.
Budući da su vrtnje atoma u početku zapletene, ubrzo su ušli u stabilan, ponavljajući obrazac rotacije koji definira kristal.
To je bilo normalno, ali da bi postao kristal vremena, sustav je morao vremenom razbiti simetriju. Tijekom promatranja lanca atoma itterbija, istraživači su primijetili nešto neobično.
Dva lasera, periodično udarajući atome itterbija, uzrokovala su ponavljanje u sustavu s vremenom dvostrukim od razdoblja „šokova“, što se točno u normalnom sustavu nije moglo dogoditi.
"Ne bi li bilo vrlo čudno ako pokucate žele i utvrdite kako reagira na njega u različitim vremenskim razdobljima?" - objašnjava Yao.
"Ali to je priroda vremenskog kristala. Imate neku vrstu patogena s razdobljem T, ali sustav je nekako sinkroniziran i promatrate njegovo kretanje s razdobljem većim od T."
Ovisno o magnetskom polju i pulsiranju lasera, vremenski kristal bi tada mogao promijeniti svoju fazu, poput kocke za topljenje.
Crystal s Harvarda bio je drugačiji. Istraživači su ga stvorili koristeći guste centre za pražnjenje dušika u dijamantu, ali došli su do istog rezultata.
"Ovi slični rezultati dvaju vrlo različitih sustava potvrđuju da su vremenski kristali rašireni oblik materije, a ne neka zanimljiva značajka koja se nalazi samo u malom, posebnom sustavu", objašnjava Phil Rifermey sa sveučilišta Indiana radnu bilješku, nije sudjelovao u studiji, ali je pregledao članak.
"Promatranje ovog jednog kristala vremena … potvrđuje da se može dogoditi kršenje simetrije u svim područjima prirode, a to otvara nova područja za istraživanje."
Yao-ov dijagram objavljen je u Physical Review Letters, a članak o vremenskim kristalima na Harvardu možete pročitati ovdje, a članak na Sveučilištu Maryland ovdje.