Tidskrystaller - hvordan videnskabsmænd skabte en ny tilstand af stof

Nogle af de mest dybe forudsigelser i teoretisk fysik, såsom Einsteins gravitationsbølger eller Higgs' boson, har taget årtier at bevise med eksperimenter. Men nu og da, en forudsigelse kan blive etableret kendsgerning på forbløffende kort tid. Dette er hvad der skete med "tidskrystaller", en ny og mærkelig tilstand af materie, der blev teoretiseret, modbevist, fornyet og endelig skabt på kun fem år, siden det først blev forudsagt i 2012.

Krystaller, såsom diamant og kvarts, er lavet af atomer arrangeret i et gentaget mønster i rummet. I disse nye krystaller, atomer følger også et gentaget mønster, men i tide. På grund af denne mærkelige egenskab, tidskrystaller kunne en dag finde anvendelser i revolutionerende teknologier såsom kvantecomputere.

Historien om tidskrystaller begynder i 2012 med nobelprisvinderen Frank Wilczek fra MIT. Som teoretisk fysiker og matematiker, Wilczek tog et afgørende skridt i at overføre en nøgleegenskab ved regulære krystaller – kaldet symmetribrud – for at skabe ideen om tidskrystaller.

For at forstå, hvad symmetribrud er, tænk på flydende vand. I en vanddråbe, molekyler kan bevæge sig frit og kan være hvor som helst i væsken. Væsken ser ens ud i alle retninger, hvilket betyder, at den har en høj grad af symmetri. Hvis vandet fryser til is, tiltrækkende kræfter mellem molekylerne tvinger dem til at omarrangere til en krystal, hvor molekyler er placeret med jævne mellemrum. Men denne regelmæssighed betyder, at krystallen ikke er så symmetrisk som væsken, så vi siger, at væskens symmetri er blevet brudt, når den fryser til is.

Symmetribrud er et af de mest dybtgående begreber i fysik. Det er bag dannelsen af ​​krystaller, men optræder også i mange andre fundamentale processer. For eksempel, den berømte Higgs-mekanisme, som forklarer, hvordan subatomære partikler kommer til at erhverve masse, er en symmetri brydende proces.

Tilbage i 2012, Wilczek kom på en fristende idé. Han spekulerede på, om på samme måde som en krystal bryder symmetri i rummet, det ville være muligt at skabe en krystal, der bryder en tilsvarende symmetri i tid. Dette var første gang ideen om en tidskrystal blev teoretiseret.

Et sådant objekt ville have en iboende tidsregelmæssighed, svarende til krystallens regulære mønster i rummet. For en tidskrystal, mønsteret ville være en kontinuerlig ændring frem og tilbage i en af ​​dets fysiske egenskaber, en slags hjerteslag, der gentager sig for evigt, lidt som en evighedsmaskine.

Perpetual motion maskiner, som er maskiner, der kan arbejde i det uendelige uden en energikilde, er forbudt af fysikkens love. Wilczek genkendte denne særhed ved sin tidskrystalteori og, i 2015, en anden gruppe af teoretiske fysikere viste, at en evig bevægelse krystal faktisk ville være umulig.

Men dette var ikke slutningen på historien. I 2016 ny forskning viste, at tidskrystaller stadig kunne eksistere i teorien, men kun hvis der var en eller anden ydre drivkraft. Ideen var, at tidsregelmæssigheden på en eller anden måde ville være i dvale, skjult for øje, og at tilføje lidt energi ville bringe det til live og afsløre det. Dette løste paradokset med evig bevægelse, og bragte nye håb om eksistensen af ​​tidskrystaller.

Derefter, i sommeren 2016, betingelserne for at skabe og observere tidskrystaller blev beskrevet i en artikel i online arXiv repository, og senere publiceret i det peer-reviewede tidsskrift Physical Review Letters. Forskerne undersøgte, hvordan en særlig egenskab ved partikler kendt som kvantespind gentagne gange kunne vendes af en ekstern kraft med jævne mellemrum. De forudsagde, at hvis de gjorde dette mod et sæt partikler, interaktionerne mellem partiklerne ville producere deres egne svingninger i spindet, skabe en "drevet" tidskrystal.

I løbet af få måneder, to forskellige forsøgsgrupper havde påtaget sig udfordringen med at skabe tidskrystallerne i laboratoriet. Et af holdene affyrede laserimpulser mod et tog af ytterbium-atomer, der producerede oscillationer i atomernes egenskaber, med forskellige intervaller fra pulserne. Dette betød, at ytterbium-atomerne opførte sig som en tidskrystal.

Det andet hold fokuserede på et helt andet system, bestående af urenheder i en diamantkrystal. De brugte mikrobølger til at forstyrre urenhederne med veldefinerede intervaller, og observerede den samme type tidskrystal-oscillationer som det første hold. Endelig, Tidskrystaller var blevet skabt, og Wilczeks hovedideer viste sig at være sande.

Krystal fremtid

Forudsigelsen, realisering og opdagelse af tidskrystaller åbner et nyt kapitel i kvantemekanik, med spørgsmål om egenskaberne af denne nyfundne stoftilstand og om tidskrystaller kan forekomme i naturen.

De symmetri-brydende egenskaber af almindelige krystaller har ført til skabelsen af ​​fononiske og fotoniske metamaterialer, bevidst designede materialer, der selektivt kontrollerer akustiske vibrationer og lys, der kan bruges til at øge ydeevnen af ​​proteser, eller at øge effektiviteten af ​​lasere og fiberoptik. Så de tidssymmetri-brydende egenskaber af tidskrystaller vil sandsynligvis finde vej til lige så nye felter, såsom krono-metamaterialer til kvanteberegning, som bruger atomers iboende egenskaber til at lagre og behandle data.

Historien om tidskrystaller startede med en smuk idé af en teoretisk fysiker, og har nu kulmineret sit første kapitel med afgørende eksperimentelle beviser efter blot fem år. Langt fra at komme til en ende, da videnskabsmænd beviser deres store teorier, det ser ud til, at fysikken er mere levende end nogensinde.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.