Ständigt i farten utan att konsumera energi
Under flera månader har det varit samtal om att forskare har lyckats skapa tidskristaller - konstiga kristaller vars atomstruktur inte bara upprepas i rymden utan också i tid, vilket innebär att de ständigt rör sig utan energikostnader.
Nu har det officiellt bekräftats: Forskare har nyligen avslöjat i detalj hur man skapar och mäter dessa konstiga kristaller. Och två oberoende grupper av forskare hävdar att de faktiskt lyckades skapa tidskristaller i laboratoriet med hjälp av anvisningarna och därmed bekräfta förekomsten av en helt ny typ av materia.
Upptäckten kan verka fullständigt abstrakt, men det innebär början på en ny era i fysiken, eftersom vi under många decennier bara har studerat materia, som per definition var "i jämvikt": metaller och isolatorer.
Men det fanns förslag om existensen i universum av en mängd konstiga typer av materia som inte är i jämvikt och som vi inte ens har börjat studera, inklusive tidkristaller. Vi vet nu att detta inte är fiktion.
Själva det faktum att vi nu har det första exemplet på "icke-jämvikt" ämne kan leda till ett genombrott i vår förståelse av världen runt oss, liksom tekniker som kvantberäkning.
”Det här är en ny typ av fråga, period. Men det är också coolt att detta är ett av de första fallen av "icke-jämvikt" -ämne, säger huvudforskaren Norman Yao vid University of California, Berkeley.
”Under hela andra hälften av förra seklet har vi studerat material i jämvikt, såsom metaller och isolatorer. Och först nu har vi gått in i territoriet för "icke-jämviktsmaterial"."
Kampanjvideo:
Men låt oss pausa och titta tillbaka, begreppet tidskristaller har funnits i flera år.
De förutsagdes först av Nobelpristagaren fysikteoretiker Frank Wilczek 2012. Tidskristaller är strukturer som verkar vara i rörelse även vid den minsta energinivån som kallas marktillstånd eller vilotillstånd.
Vanligtvis, om materien är i marktillståndet, även känt som tillståndet för nollenergi i systemet, betyder detta att rörelse är teoretiskt omöjligt, eftersom det kräver energi.
Men Wilczek hävdade att detta inte gäller tidens kristaller.
I vanliga kristaller upprepas atomgitteret i rymden, precis som kolgitter i diamant. Men, som en rubin eller en smaragd, rör sig de inte eftersom de är i jämvikt i sitt grundläge.
Och i tidkristaller upprepas strukturen också i tid, inte bara i rymden. Och därför är de i rörelse i grundläget.
Föreställ dig gelé. Om du pratar med fingret börjar det vibrera. Samma sak händer i kristaller med tiden, men den stora skillnaden är att de inte behöver energi för att röra sig.
En tidskristall är som en ständigt vibrerande gelé i sitt vanliga, grundläggande tillstånd, och det är detta som gör den till en ny typ av materia - "icke-kondition". Som bara inte kan sitta stilla.
Men det är en sak att förutsäga existensen av sådana kristaller, och en helt annan att faktiskt skapa dem, vilket är vad som hände i den senaste forskningen.
Yao och hans team skapade ett detaljerat diagram där de i detalj beskrev hur man skapar och mäter egenskaperna hos en tidskristall, och till och med förutsäger vad de olika faserna som omger en tidskristall borde vara, med andra ord beskrev de ekvivalenterna i fasta, flytande och gasformiga tillstånd av en ny typ av materia.
Yao kallade artikeln publicerad i Physical Review Letters "en bro mellan teoretisk idé och experimentell implementering."
Och detta är inte alls spekulation. Efter Yaos instruktioner lyckades två oberoende grupper - en från University of Maryland och den andra från Harvard - skapa sina egna tidskristaller.
Resultaten från båda studierna tillkännagavs i slutet av förra året på arXiv.org (här och här) och skickades till peer-granskade tidskrifter för publicering. Yao var författare av båda artiklarna.
Medan vi väntar på publikationer är det värt att vara skeptisk till uttalandena. Men det faktum att två oberoende grupper lyckades skapa tidskristaller med samma schema under helt andra förhållanden låter lovande.
Vid University of Maryland skapades tidskristaller från en kedja av 10 ytterbiumjoner, alla med intrasslade elektronspins.
Nyckeln till att förvandla denna bas till en kristall av tiden var att hålla jonerna i jämvikt, och för att göra detta, träffades de i tur och ordning från två lasrar. En laser skapade ett magnetfält, den andra lasern rullade delvis upp atomernas snurr.
Eftersom atomernas snurr var ursprungligen intrasslade, kom de snart in i det stabila, repetitiva rotationsmönstret som definierar kristallen.
Detta var normalt, men för att bli en tidskristall var systemet tvungen att bryta symmetri i tid. När forskarna observerade kedjan av ytterbiumatomer såg forskarna något ovanligt.
Två lasrar, som regelbundet slår ytterbiumatomer, orsakade en upprepning i systemet med en period dubbelt så lång som "chockerna", vilket var exakt vad som inte kunde uppstå i ett normalt system.
"Skulle det inte vara väldigt konstigt om du pirrade gelé och upptäckte att den reagerar på den med olika tidsperioder?" - förklarar Yao.
”Men detta är tidskristallens natur. Du har någon form av patogen med en period av T, men systemet är på något sätt synkroniserat, och du observerar dess rörelse med en period som överstiger T."
Beroende på magnetfältet och pulseringen av lasern kan tidskristallen sedan ändra sin fas, som en smältkub.
Crystal från Harvard var annorlunda. Forskarna skapade den med täta kvävevakanscentra i diamanten, men de kom med samma resultat.
"Dessa liknande resultat från två mycket olika system bekräftar att tidskristaller är en utbredd form av materia, och inte någon nyfikna egenskap som endast observeras i ett litet, speciellt system," förklarar Phil Rifermey från Indiana University i en relaterad studie. arbetsnotatet, deltog han inte i studien, men granskade artikeln.
"Observationen av denna enkla tidskristall … bekräftar att symmetribrytning kan inträffa i alla naturområden, och detta öppnar nya områden för forskning."
Yaos diagram publicerades i Physical Review Letters, och du kan läsa ett Harvard-papper om tidskristaller här och ett University of Maryland-papper här.
