Вие сте тук

Учените са потвърдили чисто нова фаза на материята: времеви кристали

От месеци насам има спекулации, че учените може би най-накрая са създали времеви кристали – странни кристали, които имат атомна структура, която се повтаря не само в пространството, но и във времето, което ги поставя в постоянно трептене без енергия.

Сега е официално – учените са съобщили детайлно как се правят и как се измерват тези странни кристали. Два независими екипа от учени претендират, че тъкмо те са създали времевите кристали в лаборатория, на базата на план, който потвърждава съществуването на изцяло нова фаза на материята.

Откритието може да звучи доста абстрактно, но известява за изцяло нова ера във физиката – от десетилетия ние изучаваме материя, която се определя като такава „в състояние на равновесие“, както металите и изолаторите.

Допускаше се, че има много повече странни форми на материята някъде там във Вселената, които не са в равновесие, към които ние все още не сме погледнали, включително времевите кристали. А сега знаем, че те са истински.

Самият факт, че сега имаме първия пример за материя, която не е в равновесие, може да доведе до голям напредък в разбирането ни за света около нас, както и новите технологии като квантовите компютри.

„Това е нова фаза на материята, но е много готино, защото е и един от първите примери за материя, която не е в равновесие“, казва главният изследовател Norman Yao от Калифорнийския университет в Бъркли.

„През последния половин век ние изследваме равновесната материя, като металите и изолаторите. Чак сега започваме да изследваме изцяло нов пейзаж от неравновесна материя.“

Нека да направим стъпка назад, тъй като идеята за времеви кристали се носи в пространството от няколко години насам.

Първо предсказани от спечелилия Нобелова награда теоретичен физик Frank Wilczek още през 2012 година, времевите кристали са структури, които изглежда се движат дори и в състояние на ниска енергия, познато като невъзбудено състояние.

Обикновено, когато веществото е в невъзбудено състояние, също познато като нулева енергия на системата, означава че, теоретично, движението трябва да е невъзможно, защото това би изисквало изразходването на енергия.

Но Wilczek предсказал, че това може и да не е случаят при времевите кристали.

Обикновените кристали имат атомна структура, която се повтаря в пространството – точно както въглеродната решетка на диаманта. Но, точно както рубин или диамант, те са неподвижни, защото са в равновесие с основното си състояние.

Но времевите кристали имат структура, която се повтаря във времето, не само в пространството, и продължава да трепти и в невъзбудено състояние.

Представете си го като желе – когато го побутнеш, то продължава да се клатушка. Същото се случва и с времевите кристали, но голямата разлика тук е, че движението се появява без никаква енергия.

Времевият кристал е като постоянно трептящо желе в своето основно, невъзбудено състояние, и това го прави изцяло нова фаза на материята – неравновесна материя. Не е способен да стои неподвижно.

Едно е да предскажеш, че такива кристали съществуват, и съвсем друго да ги направиш и ето къде идва мястото на новото проучване.

Yao и екипът му са излезли с детайлен план, който описва точно как се правят и измерват свойствата на времевите кристали, и дори предсказват какви са различните фази около времевите кристали – което означава, че те са определили еквивалента на твърдото, течното и газообразното състояние за новата фаза на материята.

Публикувана в Physical Review Letters, Yao нарича статията „мостът между теоретичната идея и експерименталното осъществяване“.

Не е и просто спекулация. Базирани на плана на Yao, два индивидуални екипа – един от Университета в Мериленд и един от Харвард – са последвали инструкциите, за да създадат свои времеви кристали.

И двата резултата са били обявени в края на миналата година в arXiv.org, и са заявили публикуване в рецензирани списания. Yao е съавтор и на двете статии.

Докато чакаме статиите да бъдат публикувани, трябва да бъдем скептични към двете твърдения. Но фактът, че два отделни екипа са използвани един и същ план, за да направят времеви кристали от доста различни системи е обещаващо.

Времевите кристали от Университета в Мериленд били създадени, взимайки линия от 10 итербиеви йона, всичките със оплетени електронни спинове.

Времеви кристали от Университета в Мериленд
Времеви кристали от Университета в Мериленд

Ключът за превръщане на тази структура във времеви кристал е това йоните да се държат извън равновесно състояние, а за да направят това учените ги облъчвали с два лазера. Единият лазер създавал магнитно поле, а другият частично променял спиновете на атомите.

Тъй като спиновете на всички атоми били свързани, атомите се установили в стабилен, повтарящ се модел на промяна на спина, което дефинира кристала.

Това е съвсем нормално, но за да стане времеви кристал, системата трябвало да пречупи времевата симетрия. А наблюдавайки линията от итербиеви йони, учените забелязали, че става нещо странно.

Двата лазера, които периодично въздействали върху итербиевите йони, предизвиквали повтаряне в системата с два пъти по-голям период от този на въздействието – нещо, което не може да се появи в нормална система.

„Няма ли да е твърде странно, ако размърдаш желе и то някак отвърне с различен период?“ казва Yao.

„Но това е същината на времевите кристали. Имаш периодичен задвижващ механизъм, който има период Т, но системата някак се синхронизира, така че да можеш да наблюдаваш как тя трепти в период, който е по-голям от Т.“

Под различни магнитни полета и пулсиращ лазер, времевият кристал би сменил фазата си, точно като топящо се ледено кубче.

План на Norman Yao
План на Norman Yao

Времевият кристал от Харвард бил различен. Учените го нагласили, като използвали гъсто опаковани NV-центрове (дефекти в структурата на диаманта, при които въглероден атом е заместен с азотен – бел. ред.) в диаманти, но със същия резултат.

„Такива подобни резултати, постигнати в две напълно различни системи, ни навеждат на миксълта, че времевите кристали са обширна нова фаза на материята, а не просто любопитство, сведено до малки или тясно специфични системи“, обяснява Phil Richerme от Университета в Индиана, който не е участвал в изследването.

„Изследването на отделния времеви кристал… потвърждава, че пречупването на симетрията може да се появи навсякъде и проправя път за няколко нови възможности за изследване.“

Планът на Yao е бил публикуван в Physical Review Letters, а можете да видите статията за Харвардския времеви кристал тук, този на Университета в Мериленд тук.

Превод: Никол Николова

Източник: Science Alert

Коментари

коментара

Related posts

By continuing to use the site, you agree to the use of cookies. more information

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close