Voortdurend in beweging zonder energie te verbruiken
Sinds enkele maanden wordt er gepraat dat onderzoekers erin zijn geslaagd om tijdkristallen te creëren - vreemde kristallen waarvan de atomaire structuur zich niet alleen in de ruimte herhaalt, maar ook in de tijd, wat betekent dat ze constant in beweging zijn zonder energieverbruik.
Nu is het officieel bevestigd: onderzoekers hebben pas onlangs in detail onthuld hoe ze deze vreemde kristallen kunnen maken en meten. En twee onafhankelijke groepen wetenschappers beweren dat ze er daadwerkelijk in geslaagd zijn om tijdkristallen in het laboratorium te creëren met behulp van de gegeven instructies, waarmee ze het bestaan van een volledig nieuw soort materie bevestigen.
De ontdekking lijkt misschien volkomen abstract, maar ze luidt het begin in van een nieuw tijdperk in de natuurkunde, want we hebben decennia lang alleen materie bestudeerd die per definitie 'in evenwicht' was: metalen en isolatoren.
Maar er waren suggesties over het bestaan in het heelal van verschillende vreemde soorten materie, die niet in evenwicht zijn en die we nog niet eens zijn gaan bestuderen, inclusief tijdkristallen. We weten nu dat dit geen fictie is.
Alleen al het feit dat we nu het eerste voorbeeld van 'niet-evenwichtige' materie hebben, zou kunnen leiden tot een doorbraak in ons begrip van de wereld om ons heen, evenals technologieën zoals quantum computing.
'Dit is een nieuw soort kwestie, punt uit. Maar het is ook gaaf dat dit een van de eerste gevallen is van 'niet-evenwichts'-materie', zegt hoofdonderzoeker Norman Yao van de University of California, Berkeley.
“De hele tweede helft van de vorige eeuw hebben we materie in evenwicht bestudeerd, zoals metalen en isolatoren. En pas nu zijn we het territorium van de 'niet-evenwichts'-materie betreden.'
Promotie video:
Maar laten we even pauzeren en terugkijken, het concept van tijdkristallen bestaat al een aantal jaren.
Ze werden voor het eerst voorspeld door Nobelprijswinnaar natuurkundetheoreticus Frank Wilczek in 2012. Tijdkristallen zijn structuren die lijken te bewegen, zelfs bij het minste energieniveau dat bekend staat als de grondtoestand of rusttoestand.
Als materie zich in de grondtoestand bevindt, ook bekend als de toestand van nulenergie van het systeem, betekent dit meestal dat beweging theoretisch onmogelijk is, omdat er energie voor nodig is.
Maar Wilczek voerde aan dat dit niet van toepassing is op de kristallen van tijd.
In gewone kristallen wordt het atoomrooster in de ruimte herhaald, net als het koolstofrooster van diamant. Maar, zoals een robijn of een smaragd, bewegen ze niet omdat ze in hun basistoestand in evenwicht zijn.
En in tijdkristallen herhaalt de structuur zich ook in de tijd, niet alleen in de ruimte. En daarom zijn ze in beweging in de basistoestand.
Stel je voor gelei. Als je er met je vinger in prikt, begint hij te trillen. Hetzelfde gebeurt in kristallen van tijd, maar het grote verschil is dat ze geen energie nodig hebben om te bewegen.
Een tijdkristal is als een constant trillende gelei in zijn gebruikelijke, basistoestand, en dit maakt het tot een nieuw soort materie - 'niet-evenwichtige' materie. Die gewoon niet stil kan zitten.
Maar het is één ding om het bestaan van dergelijke kristallen te voorspellen, en iets heel anders om ze daadwerkelijk te maken, wat gebeurde in het laatste onderzoek.
Yao en zijn team creëerden een gedetailleerd diagram waarin ze in detail beschreven hoe ze de kenmerken van een tijdkristal konden creëren en meten, en zelfs konden voorspellen wat de verschillende fasen rond een tijdkristal zouden moeten zijn, met andere woorden, ze beschreven de equivalenten van vaste, vloeibare en gasvormige toestanden van een nieuw type materie.
Yao noemde het artikel in Physical Review Letters "een brug tussen theoretisch idee en experimentele implementatie".
En dit is helemaal geen speculatie. Volgens de instructies van Yao slaagden twee onafhankelijke groepen - een van de Universiteit van Maryland en de andere van Harvard - erin om hun eigen tijdkristallen te creëren.
De resultaten van beide onderzoeken werden eind vorig jaar aangekondigd op arXiv.org (hier en hier), en voor publicatie naar peer-reviewed tijdschriften gestuurd. Yao was co-auteur van beide artikelen.
Terwijl we wachten op publicaties, is het de moeite waard sceptisch te blijven over de uitspraken. Maar juist het feit dat twee onafhankelijke groepen erin slaagden tijdkristallen te creëren met hetzelfde schema onder totaal verschillende omstandigheden, klinkt veelbelovend.
Aan de Universiteit van Maryland werden tijdkristallen gemaakt uit een keten van 10 ytterbiumionen, allemaal met verstrengelde elektronenspins.
De sleutel om deze basis in een tijdkristal te veranderen, was om de ionen in onevenwicht te houden, en om dit te doen, werden ze op hun beurt geraakt door twee lasers. Eén laser creëerde een magnetisch veld, de tweede laser rolde de spins van de atomen gedeeltelijk uit.
Omdat de spins van de atomen aanvankelijk verstrengeld waren, kwamen ze al snel in het stabiele, repetitieve spin-rotatiepatroon dat het kristal definieert.
Dit was normaal, maar om een kristal van tijd te worden, moest het systeem de symmetrie op tijd doorbreken. Bij het observeren van de keten van ytterbiumatomen, merkten de onderzoekers iets ongewoons op.
Twee lasers die periodiek de ytterbiumatomen troffen, veroorzaakten een herhaling in het systeem met een periode die twee keer zo lang was als de periode van de 'schokken', en dat was precies wat in een normaal systeem niet kon voorkomen.
"Zou het niet heel vreemd zijn als je gelei prikte en ontdekte dat het er met verschillende tijdsperioden op reageert?" - legt Yao uit.
'Maar dit is de aard van het tijdkristal. Je hebt een of andere ziekteverwekker met een periode van T, maar het systeem is op de een of andere manier gesynchroniseerd en je observeert zijn beweging met een periode langer dan T."
Afhankelijk van het magnetische veld en de pulsatie van de laser kan het tijdkristal dan van fase veranderen, als een smeltende kubus.
Crystal van Harvard was anders. De onderzoekers creëerden het met behulp van dichte stikstof-leegstandscentra in de diamant, maar ze kwamen met hetzelfde resultaat.
"Deze vergelijkbare resultaten van twee zeer verschillende systemen bevestigen dat tijdkristallen een wijdverspreide vorm van materie zijn, en niet een merkwaardig kenmerk dat alleen wordt waargenomen in een klein, speciaal systeem", legt Phil Rifermey van de Indiana University uit in een begeleidende studie. werknota, hij nam niet deel aan de studie, maar beoordeelde het artikel.
"De waarneming van dit eenkristal van tijd … bevestigt dat symmetriebreuk in alle gebieden van de natuur kan voorkomen, en dit opent nieuwe gebieden voor onderzoek."
Het diagram van Yao is gepubliceerd in Physical Review Letters, en je kunt hier een Harvard-paper over tijdkristallen lezen en hier een paper van de University of Maryland.
