Tidskrystaller: hvordan forskere skabte en ny tilstand af materie

Anonim

Nogle af de mest dybtgående forudsigelser i teoretisk fysik, som Einsteins gravitationsbølger eller Higgs 'boson, har taget årtier at bevise med eksperimenter. Men nu og da kan en forudsigelse blive etableret i en forbavsende kort tid. Dette er hvad der skete med "tidskrystaller", en ny og mærkelig tilstand af materiel, der blev teoretiseret, bestridt, fornyet og endelig skabt på bare fem år siden det først blev forudsagt i 2012.

Krystaller, såsom diamant og kvarts, er lavet af atomer anbragt i et gentagende mønster i rummet. I disse nye krystaller følger også atomer et gentagende mønster, men i tide. På grund af denne underlige ejendom kunne tidskrystaller en dag finde applikationer i revolutionerende teknologier som kvantemetode.

Historien om tidskrystaller begynder i 2012 med Nobelprisvinder Frank Wilczek fra MIT. Som teoretisk fysiker og matematiker gjorde Wilczek et afgørende skridt i at overføre en nøgleegenskab af regelmæssige krystaller - kaldet symmetribrydning - for at skabe ideen om tidskrystaller.

For at forstå, hvad symmetribrud er, tænk på flydende vand. I en vanddråbe er molekyler frie til at bevæge sig om og kan være overalt i væsken. Væsken ser ens ud i enhver retning, hvilket betyder, at den har en høj grad af symmetri. Hvis vandet fryser til at danne is, tvinger attraktive kræfter mellem molekylerne dem til at omarrangere ind i en krystal, hvor molekylerne er med mellemrum med jævne mellemrum. Men denne regelmæssighed betyder, at krystallet ikke er så symmetrisk som væsken, så vi siger, at væskens symmetri er blevet brudt, når de fryser i is.

Symmetribrud er en af ​​de mest dybe begreber i fysik. Det ligger bag dannelsen af ​​krystaller, men ses også i mange andre grundlæggende processer. For eksempel er den berømte Higgs-mekanisme, som forklarer, hvordan subatomære partikler kommer til at erhverve masse, en symmetribrydningsproces.

Tilbage i 2012 kom Wilczek med en spændende ide. Han spekulerede på, om det på samme måde som en krystal bryder symmetrien i rummet, ville det være muligt at skabe en krystal, der bryder en tilsvarende symmetri i tide. Dette var første gang ideen om en tidskrystal blev teoretiseret.

Et sådant objekt ville have en indre regelmæssighed, svarende til krystalets normale mønster i rummet. For en tidskrystal vil mønsteret være en kontinuerlig forandring frem og tilbage i en af ​​dens fysiske egenskaber, en slags hjerteslag, der gentager for evigt, lidt som en evig bevægelsesmaskine.

Perpetualmotionsmaskiner, som er maskiner, der kan fungere på ubestemt tid uden en energikilde, er forbudt i fysikens love. Wilczek anerkendte denne underliggenhed af sin tidskrystalteori, og i 2015 viste en anden gruppe teoretiske fysikere, at en evig bevægelseskrystal faktisk ville være umulig.

Men det var ikke slutningen af ​​historien. I 2016 viste ny forskning, at tidskrystaller stadig kunne eksistere i teorien, men kun hvis der var nogen ekstern drivkraft. Tanken var, at tidsregelmæssigheden ville være en eller anden måde sovende, skjult for visning, og at at tilføje lidt energi ville bringe det til liv og afsløre det. Dette løste paradoksen af ​​evig bevægelse og bragte nye forhåbninger på eksistensen af ​​tidskrystaller.

Så i sommeren 2016 blev betingelserne for at skabe og observere tidskrystaller udlagt i en artikel i online arXiv-depotet og senere offentliggjort i den peer-reviewed journal Physical Review Letters. Forskerne studerede, hvordan en særlig egenskab af partikler kendt som quantum spin kunne gentages med en ekstern kraft med jævne mellemrum. De forudsagde, at hvis de gjorde dette til et sæt partikler, ville interaktionerne mellem partiklerne producere deres egne svingninger i spin, hvilket skabte en "drevet" tidskrystal.

I løbet af få måneder havde to forskellige forsøgsgrupper taget udfordringen op for at skabe tidskrystaller i laboratoriet. Et af teamene fyrede laserimpulser på et tog af ytterbiumatomer, der frembragte oscillationer i atomernes egenskaber ved forskellige intervaller fra pulserne. Dette betød, at ytterbiumatomerne opførte sig som en tidskrystal.

Det andet hold fokuserede på et helt andet system, der består af urenheder i en diamantkrystal. De brugte mikrobølger til at forstyrre urenhederne med veldefinerede intervaller og observerede samme type tidskrystaloscillationer som første hold. Endelig var tidskrystaller blevet skabt, og Wilczeks hovedideer viste sig sandt.

Crystal fremtid

Forudsigelsen, realisering og opdagelse af tidskrystaller åbner et nyt kapitel i kvantemekanik med spørgsmål om egenskaberne af denne nyligt fundne tilstand og om tidskrystaller kan forekomme i naturen.

De symmetribrydende egenskaber ved almindelige krystaller har ført til oprettelsen af ​​fononiske og fotoniske metamaterialer, bevidst designet materialer, som selektivt styrer akustiske vibrationer og lys, som kan bruges til at øge præstationen af ​​proteser eller for at øge effektiviteten af ​​lasere og fibre- optik. Så tidssymmetri-brydende egenskaber af tidskrystaller vil sandsynligvis finde vej ind i lige nye felter, såsom chrono-metamaterialer til quantum computing, som bruger de iboende egenskaber af atomer til at gemme og behandle data.

Historien om tidskrystaller startede med en skøn ide fra en teoretisk fysiker, og har nu kulmineret sit første kapitel med afsluttende eksperimentelle beviser efter blot fem år. Langt fra at komme til en ende som videnskabsmænd bevise deres store teorier, forekommer det at fysikken er mere levende end nogensinde.

Forrige Artikel «
Næste Artikel