Neustále v pohybe bez spotreby energie
Už niekoľko mesiacov sa hovorí, že vedcom sa podarilo vytvoriť časové kryštály - podivné kryštály, ktorých atómová štruktúra sa opakuje nielen v priestore, ale aj v čase, čo znamená, že sa neustále pohybujú bez spotrebovania energie.
Teraz to bolo oficiálne potvrdené: Vedci len nedávno podrobne odhalili, ako vytvoriť a zmerať tieto podivné kryštály. A dve nezávislé skupiny vedcov tvrdia, že sa im podarilo podľa laboratórnych pokynov vytvoriť laboratórne kryštály, čím potvrdili existenciu úplne nového typu látky.
Tento objav sa môže zdať úplne abstraktný, ale ohlasuje začiatok novej éry fyziky, pretože po mnoho desaťročí sme študovali iba hmotu, ktorá, podľa definície, bola „v rovnováhe“: kovy a izolátory.
Existovali však návrhy týkajúce sa existencie rôznych podivných druhov hmoty vo vesmíre, ktoré nie sú v rovnováhe a ktoré sme ani nezačali študovať, vrátane časových kryštálov. Teraz vieme, že to nie je fikcia.
Samotná skutočnosť, že teraz máme prvý príklad „nerovnovážnej“záležitosti, by mohla viesť k prelomu v našom chápaní sveta okolo nás, ako aj technológií, ako je napríklad kvantové výpočty.
„Toto je nový druh veci, obdobie. Je tiež skvelé, že ide o jeden z prvých príkladov „nerovnovážnej“záležitosti, “hovorí vedecký pracovník Norman Yao z Kalifornskej univerzity v Berkeley.
„Celú druhú polovicu minulého storočia sme študovali hmotu v rovnováhe, ako sú kovy a izolátory. A až teraz sme vstúpili na územie 'nerovnovážnej hmoty'. “
Propagačné video:
Pozrime sa však na chvíľu a koncept časových kryštálov existuje už niekoľko rokov.
Prvýkrát ich predpovedal v roku 2012 teoretik fyziky laureátov Nobelovej ceny za literatúru. Časové kryštály sú štruktúry, ktoré sa zdajú byť v pohybe aj pri najmenšej úrovni energie známej ako základný stav alebo stav pokoja.
Zvyčajne, ak je hmota v základnom stave, tiež známa ako stav nulovej energie systému, znamená to, že pohyb je teoreticky nemožný, pretože vyžaduje energiu.
Wilczek však tvrdil, že to neplatí pre kryštály času.
V bežných kryštáloch sa atómová mriežka opakuje vo vesmíre rovnako ako uhlíková mriežka diamantu. Ale rovnako ako rubín alebo smaragd sa nepohybujú, pretože sú vo svojom základnom stave v rovnováhe.
A v časových kryštáloch sa štruktúra opakuje aj v čase, nielen v priestore. A preto sú v pohybe v základnom stave.
Predstavte si želé. Ak ho strkáte prstom, začne to vibrovať. To isté sa deje v kryštáloch času, ale veľký rozdiel je v tom, že nevyžadujú pohyb energie.
Časový kryštál je ako obvykle vibrujúci želé vo svojom obvyklom základnom stave, a to ho robí novým typom hmoty - „nevyváženou“látkou. Čo jednoducho nemôže sedieť.
Jedna vec je však predpovedať existenciu takýchto kryštálov a úplne iná ich tvorba, čo sa stalo v najnovšom výskume.
Yao a jeho tím vytvorili podrobnú schému, v ktorej podrobne opísali, ako vytvoriť a zmerať charakteristiky časového kryštálu, a dokonca predpovedať, aké rôzne fázy obklopujúce časový kryštál by mali byť, inými slovami, opísali ekvivalenty pevných, kvapalných a plynných stavov nového typu hmoty.
Yao nazval článok uverejnený v liste Physical Review Letters „mostom medzi teoretickou myšlienkou a experimentálnou implementáciou“.
A to vôbec nie sú špekulácie. Podľa pokynov Yao sa dvom nezávislým skupinám - jednej z University of Maryland a druhej z Harvardu - podarilo vytvoriť vlastné časové kryštály.
Výsledky oboch štúdií boli oznámené koncom minulého roka na arXiv.org (tu a tu) a boli zaslané do recenzovaných časopisov na zverejnenie. Yao je spoluautorom oboch článkov.
Zatiaľ čo čakáme na publikácie, oplatí sa ostať skeptický k tvrdeniam. Samotná skutočnosť, že dvom nezávislým skupinám sa podarilo vytvoriť časové kryštály pomocou rovnakej schémy v úplne odlišných podmienkach, však znie sľubne.
Na univerzite v Marylande sa časové kryštály vytvorili z reťazca 10 yterbiových iónov, všetky s prepletenými elektrónovými točeniami.
Kľúčom k premene tejto základne na kryštál času bolo udržať ióny v nerovnováhe a na to boli zasiahnuté postupne od dvoch laserov. Jeden laser vytvoril magnetické pole, druhý laser čiastočne rozvinul rotácie atómov.
Pretože sa spiny atómov spočiatku zaplietli, čoskoro vstúpili do stabilného opakovaného rotačného rotačného cyklu, ktorý definuje kryštál.
Bolo to normálne, ale aby sa stal kryštálom času, systém musel narušiť symetriu v čase. Vedci pozorovali reťazec atómov ytterbu a všimli si niečo neobvyklé.
Dva lasery, periodicky štrajkujúce atómy ytterbia, spôsobili v systéme opakovanie s obdobím dvojnásobným obdobím „šokov“, čo sa v normálnom systéme nemohlo vyskytnúť.
"Nebolo by to veľmi čudné, ak by si si želé strčil a zistil, že na to reaguje s rôznymi časovými obdobiami?" - vysvetľuje Yao.
„Ale toto je povaha časového kryštálu. Máte nejaký druh patogénu s periódou T, ale systém je nejako synchronizovaný a pozorujete jeho pohyb s periódou presahujúcou T."
V závislosti na magnetickom poli a pulzácii lasera by časový kryštál mohol zmeniť svoju fázu ako topiaca sa kocka.
Crystal z Harvardu bol iný. Vedci ju vytvorili pomocou hustých centier na uvoľňovanie dusíka v diamantu, ale prišli s rovnakým výsledkom.
„Tieto podobné výsledky z dvoch veľmi odlišných systémov potvrdzujú, že časové kryštály sú rozšírenou formou hmoty a nie nejaká zvláštna vlastnosť, ktorá sa pozoruje iba v malom špeciálnom systéme,“vysvetľuje Phil Rifermey z Indiana University v súvisiacej štúdii. pracovná poznámka, on sa nezúčastnil štúdie, ale recenzoval článok.
„Pozorovanie tohto jediného kryštálu času … potvrdzuje, že vo všetkých oblastiach prírody môže dôjsť k narušeniu symetrie, čo otvára nové oblasti pre výskum.“
Yaoova schéma bola publikovaná v listoch Physical Review Letters a nájdete tu Harvardovu knihu o časových kryštáloch a tu University of Maryland.