Fysikere afslører ny form for stof - tidskrystaller

Normale krystaller, kan lide diamant, er et atomgitter, der gentager sig i rummet, men fysikere foreslog for nylig at lave materialer, der gentager sig med tiden. Sidste år, UC Berkeleys Norman Yao skitserede faserne omkring en tidskrystal og hvad der skal måles for at bekræfte, at dette nye materiale faktisk er en stabil fase af stof. Dette stimulerede to hold til at bygge en tidskrystal, de første eksempler på en ikke-ligevægtsform af stof.

For de fleste mennesker, krystaller betyder diamant bling, halvædle perler eller måske den hakkede ametyst eller kvartskrystaller elsket af samlere.

Til Norman Yao, disse inerte krystaller er toppen af ​​isbjerget.

Hvis krystaller har en atomstruktur, der gentager sig i rummet, som kulstofgitteret på en diamant, hvorfor kan krystaller ikke også have en struktur, der gentager sig med tiden? Det er, en tidskrystal?

I et papir, der blev offentliggjort online i sidste uge i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , University of California, Berkeley assisterende professor i fysik beskriver præcis, hvordan man laver og måler egenskaberne af en sådan krystal, og forudsiger endda, hvad de forskellige faser omkring tidskrystallen skal være - svarende til væske- og gasfaserne af is.

Dette er ikke blot spekulation. To grupper fulgte Yaos blueprint og har allerede skabt de første krystaller nogensinde. Grupperne ved University of Maryland og Harvard University rapporterede om deres succeser, ved hjælp af to helt forskellige opsætninger, i papirer, der blev sendt online sidste år, og har indsendt resultaterne til offentliggørelse. Yao er medforfatter på begge papirer.

Tidskrystaller gentages med tiden, fordi de sparkes med jævne mellemrum, ligesom at trykke gentagne gange på Jell-O for at få det til at jiggle, Sagde Yao. Det store gennembrud, argumenterer han, er mindre, at disse særlige krystaller gentager sig med tiden, end at de er de første i en stor klasse af nye materialer, der i sagens natur er ude af ligevægt, ude af stand til at slå sig ned til den ubevægelige ligevægt af, for eksempel, en diamant eller rubin.

"Dette er en ny fase af sagen, periode, men det er også virkelig sejt, fordi det er et af de første eksempler på ikke-ligevægtsstof, "Sagde Yao." I det sidste halve århundrede, vi har undersøgt ligevægtsmateriale, som metaller og isolatorer. Vi er lige nu begyndt at udforske et helt nyt landskab af ikke-ligevægtsmateriale. "

Mens Yao er svær at forestille sig en brug for en tidskrystal, andre foreslåede faser af ikke-ligevægtsmateriale holder teoretisk løfte som næsten perfekte minder og kan være nyttige i kvantecomputere.

En ytterbiumkæde

Den tidskrystal, der blev skabt af Chris Monroe og hans kolleger ved University of Maryland, anvender en conga -linje på 10 ytterbiumioner, hvis elektronspins interagerer, ligner qubit -systemer, der testes som kvantecomputere. For at holde ionerne ude af ligevægt, forskerne skiftevis ramte dem med en laser for at skabe et effektivt magnetfelt og en anden laser til delvist at vende atomernes spind, gentager sekvensen mange gange. Fordi spins interagerede, atomerne slog sig ned i en stald, gentaget mønster af spin -flipping, der definerer en krystal.

Tidskrystaller blev først foreslået i 2012 af nobelpristageren Frank Wilczek, og sidste år beviste teoretiske fysikere ved Princeton University og UC Santa Barbara's Station Q uafhængigt af hinanden, at en sådan krystal kunne laves. Ifølge Yao, UC Berkeley -gruppen var "broen mellem den teoretiske idé og den eksperimentelle implementering."

Set fra kvantemekanikens perspektiv, elektroner kan danne krystaller, der ikke matcher den underliggende rumlige oversættelsessymmetri for det ordnede, tredimensionel række af atomer, Sagde Yao. Dette bryder materialets symmetri og fører til unikke og stabile egenskaber, vi definerer som en krystal.

En tidskrystal bryder tidssymmetri. I dette særlige tilfælde, magnetfeltet og laser, der periodisk driver ytterbiumatomerne, producerer en gentagelse i systemet ved dobbelt så lang tid som driverne, noget, der ikke ville forekomme i et normalt system.

"Ville det ikke være super mærkeligt, hvis du jigglede med Jell-O'en og fandt ud af, at den på en eller anden måde reagerede på en anden periode?" Sagde Yao. "Men det er essensen af ​​tidskrystallet. Du har en periodisk driver, der har en periode 'T', men systemet synkroniserer på en eller anden måde, så du observerer, at systemet svinger med en periode, der er større end 'T'. "

Yao arbejdede tæt sammen med Monroe, da hans Maryland -team lavede det nye materiale, hjælpe dem med at fokusere på de vigtige egenskaber, der skal måles for at bekræfte, at materialet faktisk var en stabil eller stiv tidskrystal. Yao beskrev også, hvordan tidskrystallen ville ændre fase, som en isterning, der smelter, under forskellige magnetfelter og laserpulsering.

Harvard -teamet, ledet af Mikhail Lukin, oprette sin tidskrystal ved hjælp af tætpakket nitrogen -ledige centre i diamanter.

"Sådanne lignende resultater opnået i to vildt forskellige systemer understreger, at tidskrystaller er en bred ny fase af stof, ikke blot en nysgerrighed henvist til små eller snævert specifikke systemer, "skrev Phil Richerme, fra Indiana University, i et perspektivstykke, der ledsager papiret udgivet i Physical Review Letters. "Observation af den diskrete tidskrystal ... bekræfter, at symmetribrud kan forekomme i stort set alle naturlige områder, og rydder vejen til flere nye forskningsveje. "

Yao fortsætter sit eget arbejde med tidskrystaller, mens han udforsker teorien bag andre nye, men endnu ikke realiserede ikke-ligevægtsmaterialer.