Tid til en ny tilstand af stof i højtemperatur-superledere

Når du køler flydende vand ned, det krystalliserer til is. Overvej en spand fyldt med vand, for eksempel. Når vandet er flydende, vandmolekylerne kan være hvor som helst inde i spanden. I denne forstand, hvert punkt inde i spanden er tilsvarende. Når vandet fryser, imidlertid, vandmolekylerne indtager veldefinerede positioner i rummet. Dermed, ikke alle punkter inde i spanden er tilsvarende længere. Fysikere omtaler dette fænomen som spontan symmetribrud. Her bliver translationssymmetrien i rummet brudt af krystallens dannelse.

Er det muligt for krystaller at dannes i tid i stedet for rum? Selvom det virker som en besynderlig forestilling, det viser sig, at en tidskrystal kan opstå, når et fysisk system af mange interagerende partikler periodisk drives. Det afgørende træk ved en tidskrystal er, at en makroskopisk observerbar, såsom den elektriske strøm i et fast stof, svinger med en frekvens, der er mindre end kørefrekvensen.

Indtil nu, tidskrystaller er blevet realiseret i kunstige modelsystemer. Men nu, hvad med rigtige systemer? Et stykke af en højtemperatursuperleder er sådan et rigtigt system - du kan købe det online. Det er ikke meget at se på, med sin brunlige, rusten farve. Alligevel udgør dens friktionsfri elektronstrøm ved temperaturer op til 100 K (-173 °C) et af de mest spektakulære fænomener inden for materialevidenskab.

"Vi foreslår at forvandle en højtemperatursuperleder til en tidskrystal ved at skinne en laser på den, " forklarer førsteforfatter Guido Homann fra Institut for Fysik ved Universität Hamburg. Frekvensen af ​​laseren skal tunes til sumresonansen af ​​to fundamentale excitationer af materialet. En af disse excitationer er den undvigende Higgs-tilstand, som er begrebsmæssigt relateret til Higgs-bosonen i partikelfysik. Den anden excitation er plasmatilstanden, svarende til en oscillerende bevægelse af elektronpar, som er ansvarlige for superledning.

Medforfatter Dr. Jayson Cosme fra Universität Hamburg, nu University of the Philippines, tilføjer, at "skabelsen af ​​en tidskrystal i en højtemperatursuperleder er et vigtigt skridt, fordi det etablerer denne ægte dynamiske fase af stof i faststoffysikkens domæne." Styring af faste stoffer med lys er ikke kun fascinerende fra et videnskabeligt perspektiv, men også teknologisk relevant, som understreget af gruppeleder Prof. Dr. Ludwig Mathey. "Det ultimative mål med vores forskning er at designe kvantematerialer efter behov." Med deres nye forslag, denne fascinerende bestræbelse er nu fremmet i retning af dynamiske tilstande af stof, snarere end de sædvanlige statiske tilstande af stof, ved at lægge en strategi for at designe tidskrystaller i stedet for almindelige krystaller, hvilket åbner op for en ny og overraskende retning for materialedesign.