Fysikere udvikler meget robust tidskrystal

Et hold fra TU Dortmund University lykkedes for nylig med at producere en meget holdbar tidskrystal, der levede millioner af gange længere, end det kunne påvises i tidligere eksperimenter. Ved at gøre det har de bekræftet et yderst interessant fænomen, som nobelprismodtageren Frank Wilczek postulerede for omkring ti år siden, og som allerede havde fundet vej til science fiction-film.

Resultaterne er blevet offentliggjort i Nature Physics .

Krystaller eller, for at være mere præcis, krystaller i rummet, er periodiske arrangementer af atomer over store længdeskalaer. Dette arrangement giver krystaller deres fascinerende udseende med glatte facetter som i ædelstene.

Da fysik ofte behandler rum og tid på et og samme niveau, for eksempel i den særlige relativitetsteori, postulerede Frank Wilczek, fysiker ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) og vinder af Nobelprisen i fysik, i 2012, at der udover bl.a. krystaller i rummet, skal der også være krystaller i tiden.

For at dette skal være tilfældet, sagde han, skulle en af ​​deres fysiske egenskaber spontant begynde at ændre sig periodisk over tid, selvom systemet ikke oplever tilsvarende periodisk interferens.

At sådanne tidskrystaller kunne være mulige, var genstand for kontroversiel videnskabelig debat i flere år - men det kom hurtigt i biografen:For eksempel spillede en tidskrystal en central rolle i Marvel Studios' film Avengers:Endgame (2019).

Fra 2017 og frem er det faktisk lykkedes for forskere ved en håndfuld lejligheder at demonstrere en potentiel tidskrystal. Det var dog systemer, der – i modsætning til Wilczeks oprindelige idé – er udsat for en tidsmæssig excitation med en bestemt periodicitet, men derefter reagerer med en anden periode dobbelt så lang.

En krystal, der opfører sig periodisk i tid, selvom excitation er tidsuafhængig, dvs. konstant, blev først påvist i 2022 i et Bose-Einstein-kondensat. Imidlertid levede krystallen i blot et par millisekunder.

Dortmund-fysikerne ledet af Dr. Alex Greilich har nu designet en speciel krystal lavet af indium-galliumarsenid, hvori kernespindene fungerer som et reservoir for tidskrystallen. Krystallen belyses kontinuerligt, så der dannes en nuklear spin-polarisering gennem interaktion med elektronspin. Og det er netop denne nukleare spin-polarisering, der så spontant genererer svingninger, svarende til en tidskrystal.

Status for eksperimenterne på nuværende tidspunkt er, at krystallens levetid er mindst 40 minutter, hvilket er 10 millioner gange længere end det hidtil er blevet påvist, og den kan potentielt leve meget længere.

Det er muligt at variere krystallens periode over store intervaller ved systematisk at ændre de eksperimentelle forhold. Det er dog også muligt at bevæge sig ind i områder, hvor krystallen "smelter", dvs. mister sin periodicitet.

Disse områder er også interessante, da kaotisk adfærd, som kan opretholdes over længere tid, så manifesteres.

Det er første gang, at forskere har været i stand til at bruge teoretiske værktøjer til at analysere sådanne systemers kaotiske adfærd.

Flere oplysninger: A. Greilich et al., Robust kontinuerlig tidskrystal i et elektron-nuklear spin-system, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02351-6

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af TU Dortmund University