Az anyag egy új formáját fedezték fel: az időkristályt

Már hónapok óta megy a spekuláció az időkristályok létezése körül, most azonban sikerült őket előállítani. Ezeknek a furcsa kristályoknak az atomi szerkezete ismétlődik, nem csak a térben, hanem időben is, így örökké mozognak energia felhasználása nélkül.

Most már hivatalos – a kutatók közzétették részleteikben, hogy hogyan lehet elkészíteni és megmérni ezeket a bizarr kristályokat. Két független csapat állítja, hogy a terveket követve sikeresen állítottak elő időkristályokat a laborjukban, ezzel bebizonyítva a létezését az anyag egy teljesen új formájának.

A felfedezés elég elvontan hangozhat, de a fizika új korának eljövetelét jelzi – évtizedek óta ’egyensúlyban’ lévő anyagokat vizsgáltunk csak.

Már korábban is feltételezték, hogy vannak más, sokkal furcsább anyag típusok az Univerzumban, amik nincsenek egyensúlyban, csak még nem kezdtük el keresni őket. Most már tudjuk, hogy tényleg léteznek.

A tény, hogy most már rendelkezünk az első nem egyensúlyban lévő anyaggal, jelentős áttörésekhez vezethet a körülöttünk lévő világ megismerésében, vagy akár technológiai alkalmazásokban is, mint például a kvantum számítógépek.

Ez az anyagok új fázisa, és nagyon menő is, mivel ez az egyik első példája a nem egyensúlyban lévő anyagoknak,” mondta Norman Yao a Kalifornia Egyetem vezető kutatója.

„Az elmúlt fél évszázadban kutattuk már az egyensúlyban lévő anyagokat, mint a fémek és a szigetelők. De csak most kezdjük igazán felfedezni a nem egyensúlyban lévő anyagok világát.”

Menjünk vissza egy pár lépést, mivel az időkristályok koncepciója már évek óta benne van a levegőben.

Először a Nobel díjas elméleti fizikus Frank Wilczek jósolta meg 2012-ben, hogy az időkristályok olyan struktúrák, amelyek még a legalacsonyabb energiájú állapotukban – alapállapot –  is mozognak.

Általában ha egy anyag alapállapotba kerül, akkor a rendszer energiája nulla, ezért elméletileg a mozgás lehetetlen volna, mivel ahhoz energiára lenne szükség.

De Wilczek megjövendölte, hogy az időkristályok esetében ez valószínűleg nem így van.

A normális kristályoknál az atomi szerkezet ismétlődik a térben – mint a gyémánt szénrácsa. De mint egy rubint vagy gyémánt, teljesen mozdulatlanok mivel egyensúlyban vannak az alapállapotukban.

De az időkristályok szerkezete nem csak a térben, hanem az időben is ismétlődik, ezért rezegni fog még alapállapotban is.

Ezt úgy kell elképzelni, mint a zselét – amikor megérintjük, az remegni kezd. Hasonló dolog történik az időkristályokban is, de a nagy különbség az, hogy ezeknél a mozgás energia nélkül jön létre. Ez a fáradhatatlanság teszi az időkristályokat olyan érdekessé.

Yao és csapata egy részletes tervrajzot készített, ami leírja, pontosan hogyan lehet előállítani és megmérni az időkristályok tulajdonságait, és még a kristályok körüli különböző fázisokat is meg tudják jósolni – ami azt jelenti, hogy a szilárd-, folyékony- és a gázhalmazállapot megfelelőit is feltérképezték az új anyagformánál.

A Physical Review Letters ban megjelent tanulmány Yao szerint „a híd az elméleti elképzelés és a gyakorlati kivitelezés között”. És ez nem csak spekuláció. A tervrajzokat követve két csapat, a Marylend Egyetemről és a Harvardról, sikeresen elkészítette a saját időkristályukat.

Mindkét fejleményt a tavalyi év végén tették közzé az arXiv.org-on és tanulmányaikat is lektorált folyóiratokba nyújtották be. A cikkek Yao-t mint társírót tüntették fel. A tény hogy két különálló csapat is sikerrel járt ugyanazt a tervrajzot követve, teljesen eltérő rendszerek időkristállyá alakításában, igen biztató.

A kulcs, a felépített kiindulási anyag idő kristállyá alakításához az, hogy az ionokat egyensúlyon kívül kell tartani, amit úgy valósítottak meg, hogy az anyagot felváltva lőtték 2 lézerrel. Az egyik lézer mágneses mezőt hozott létre a második pedig az atomok forgását befolyásolta.

Mivel az atomok forgása kusza volt, ezért egy stabil, a forgásváltások ismétlődő mintájába rendeződtek, ami így egy kristályt hozott létre.

Ez még eddig egy teljesen normális folyamat, de ahhoz hogy idő kristály jöjjön létre, a rendszer idő szimmetriáját is meg kellet törni. Az itterbium atomok konga vonalának a vizsgálata során a kutatók valami furcsaságra figyeltek fel.

A két lézer amik periodikusan bökdösték az itterbium atomokat egy olyan ismétlődést keltettek a rendszerben, aminek a hossza két bökés időtartama volt. Ez a jelenség egy normális rendszernél nem történhetne meg.

Nem lenne nagyon fura, ha az ember megbökne egy zselét és az egy teljesen más időben reagálna erre?” tette fel a kérdést Yao.

Ez az időkristályok lényege. Van egy időszakos behatás, aminek az időtartama ’T’, de a rendszer úgy szinkronizálódik hogy az észlelt rendszer ’T’-nél nagyobb időszakonként rezeg.

Más mágneses mezők és pulzáló lézerek hatására az időkristályok is képesek halmazállapotot váltani, pont mint ahogy egy jégkocka elolvad.

A Harvard időkristálya is másképp készült. A kutatók gyémántokban lévő sűrűn elhelyezkedő nitrogén üregekkel próbálkoztak, de az eredmény ugyanaz volt.

Az elért eredmények hasonlósága két ilyen merően eltérő rendszernél, azt sugallja hogy az időkristály az anyagok egy széleskörű új állapota, nem csak egy maréknyi specializált rendszer furcsasága,” magyarázta a tanulmányt kísérő kilátásokon Phil Richerme, az Indiana Egyetem kutatója, aki nem vett részt egyik kutatásban sem.

Az időkristályok diszkrét megfigyelése… bebizonyítja, hogy a szimmetria megtörése lényegében véve bármilyen természeti anyagnál megtörténhet, és rengeteg új kutatásai útvonalat nyit meg előttünk.

Yao tervrajza a Physical Review Letters jelent meg és Harvard írása itt, a Maryland Egyetemé pedig itt található.

Forráswww.sciencealert.com

Szerkesztő: arsratio

Oszd meg

Hozzászólás küldése

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.

A honlap további használatához a sütik használatát el kell fogadni. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás