Konstant på farten uden at forbruge energi
I flere måneder har der været tale om, at forskere har formået at skabe tidskrystaller - mærkelige krystaller, hvis atomstruktur ikke kun gentager sig i rummet, men også i tiden, hvilket betyder, at de konstant bevæger sig uden energiforbruget.
Nu er det officielt bekræftet: Forskere har først for nylig afsløret detaljeret, hvordan man kan skabe og måle disse mærkelige krystaller. Og to uafhængige grupper af videnskabsfolk hævder, at de faktisk formåede at skabe tidskrystaller i laboratoriet ved hjælp af de medfølgende instruktioner og derved bekræfte eksistensen af en helt ny type stof.
Opdagelsen kan virke fuldstændig abstrakt, men den indikerer begyndelsen på en ny æra i fysik, fordi vi i mange årtier kun har studeret stof, som pr. Definition var 'i ligevægt': metaller og isolatorer.
Men der var forslag om eksistensen i universet af forskellige mærkelige typer stof, som ikke er i ligevægt, og som vi ikke engang er begyndt at studere endnu, inklusive tidskrystaller. Vi ved nu, at dette ikke er fiktion.
Selve det faktum, at vi nu har det første eksempel på 'ikke-ligevægtsstof', kan føre til et gennembrud i vores forståelse af verden omkring os såvel som teknologier som kvantecomputering.
”Dette er en ny form for sag, periode. Men det er også cool, at dette er et af de første tilfælde af 'ikke-ligevægtsstof',”siger hovedforsker Norman Yao fra University of California, Berkeley.
”I hele anden halvdel af det forrige århundrede har vi undersøgt stof i ligevægt, såsom metaller og isolatorer. Og først nu er vi trådt ind på området 'ikke-ligevægt'. '
Salgsfremmende video:
Men lad os pause og se tilbage, begrebet tidskrystaller har eksisteret i flere år.
De blev først forudsagt af Nobelprisvinderen fysikteoretiker Frank Wilczek i 2012. Tidskrystaller er strukturer, der ser ud til at være i bevægelse, selv på det mindste energiniveau kendt som jordtilstand eller hviletilstand.
Normalt, hvis materie er i jordtilstand, også kendt som tilstanden for nul energi i systemet, betyder det, at bevægelse er teoretisk umulig, fordi det kræver energi.
Men Wilczek hævdede, at dette ikke gælder for tidens krystaller.
I almindelige krystaller gentages atomgitteret i rummet, ligesom kulstofgitteret af diamant. Men som en rubin eller en smaragd bevæger de sig ikke, fordi de er i ligevægt i deres basistilstand.
Og i tidskrystaller gentages strukturen også i tid, ikke kun i rummet. Og derfor er de i bevægelse i grundtilstanden.
Forestil dig gelé. Hvis du stikker den med din finger, begynder den at vibrere. Det samme sker i tidskrystaller, men den store forskel er, at de ikke kræver energi for at bevæge sig.
En tidskrystall er som en konstant vibrerende gelé i sin sædvanlige, basistilstand, og det er dette, der gør det til en ny type stof - 'ikke-quilibrium' -sagen. Hvilket bare ikke kan sidde stille.
Men det er en ting at forudsige eksistensen af sådanne krystaller og en helt anden faktisk at skabe dem, hvilket er, hvad der skete i den seneste forskning.
Yao og hans team lavede et detaljeret diagram, hvor de beskrev detaljeret, hvordan man skaber og måler egenskaberne for en tidskrystall, og endda forudsiger, hvad de forskellige faser omkring en tidskrystall skal være, med andre ord beskrev de ækvivalenterne af faste, flydende og luftformige tilstande i en ny type stof.
Yao kaldte artiklen, der blev offentliggjort i Physical Review Letters, "en bro mellem teoretisk idé og eksperimentel implementering."
Og dette er overhovedet ikke spekulation. Efter Yaos instruktioner lykkedes det to uafhængige grupper - den ene fra University of Maryland og den anden fra Harvard - at skabe deres egne tidskrystaller.
Resultaterne af begge undersøgelser blev annonceret sidst på sidste år på arXiv.org (her og her) og blev sendt til peer-reviewede tidsskrifter til offentliggørelse. Yao var medforfatter til begge artikler.
Mens vi venter på publikationer, er det værd at forblive skeptisk over for udsagnene. Men det faktum, at to uafhængige grupper formåede at skabe tidskrystaller ved hjælp af den samme skema under helt forskellige forhold, lyder lovende.
På University of Maryland blev der skabt tidskrystaller fra en kæde af 10 ytterbiumioner, alle med sammenfiltrede elektronspins.
Nøglen til at omdanne denne base til en krystal af tid var at holde ioner i ubalance, og for at gøre dette blev de til sidst ramt fra to lasere. En laser skabte et magnetfelt, den anden laser rullede delvist atomerne rundt.
Da atomernes spins oprindeligt var viklet ind, gik de hurtigt ind i det stabile, gentagne spin-rotationsmønster, der definerer krystallen.
Dette var normalt, men for at blive en krystal af tid, måtte systemet bryde symmetrien i tide. Mens de observerede kæden af ytterbiumatomer, bemærkede forskerne noget usædvanligt.
To lasere, som periodisk ramte ytterbiumatomer, forårsagede en gentagelse i systemet med en periode, der var dobbelt så lang som perioden af 'chok', hvilket var nøjagtigt, hvad der ikke kunne forekomme i et normalt system.
”Ville det ikke være meget mærkeligt, hvis du stak gelé og fandt, at den reagerer på den med forskellige tidsperioder?” - forklarer Yao.
”Men det er arten af tidskrystallen. Du har en slags patogen med en periode på T, men systemet er på en eller anden måde synkroniseret, og du observerer dets bevægelse med en periode, der overstiger T."
Afhængig af magnetfeltet og pulseringen af laseren, kan tidskrystallen derefter ændre sin fase, ligesom en smeltende terning.
Crystal fra Harvard var anderledes. Forskerne skabte det ved hjælp af tæt kvælstofvakancentre i diamanten, men de kom med det samme resultat.
”Disse lignende resultater fra to meget forskellige systemer bekræfter, at tidskrystaller er en udbredt form for stof, og ikke et underligt træk, der kun ses i et lille, specielt system,” forklarer Phil Rifermey fra Indiana University i en ledsagende undersøgelse. arbejdsnotat, deltog han ikke i undersøgelsen, men gennemgik artiklen.
"Observationen af denne enkelt krystal af tid … bekræfter, at symmetrisk brud kan forekomme i alle naturområder, og dette åbner nye områder for forskning."
Yaos diagram blev offentliggjort i Physical Review Letters, og du kan læse et Harvard-papir om tidskrystaller her og et University of Maryland-papir her.