Направи дарение на училище!

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.

Разбери повече за БГ Наука:

***

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.

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.

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

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!