Jatkuvasti liikkeellä kuluttamatta energiaa
Useiden kuukausien ajan on ollut puhetta siitä, että tutkijat ovat onnistuneet luomaan aikakiteitä - outoja kiteitä, joiden atomirakenne toistuu paitsi avaruudessa, mutta myös ajassa, mikä tarkoittaa, että ne liikkuvat jatkuvasti ilman energiankulutusta.
Nyt se on vahvistettu virallisesti: Tutkijat ovat vasta äskettäin paljastaneet yksityiskohtaisesti, miten nämä omituiset kiteet voidaan luoda ja mitata. Ja kaksi riippumatonta tutkijaryhmää väittää, että he onnistuivat todella luomaan aikakiteitä laboratoriossa toimitettujen ohjeiden avulla ja vahvistaen siten täysin uuden tyyppisen aineen olemassaolon.
Löytö voi tuntua täysin abstraktilta, mutta se julistaa fysiikan uuden aikakauden alkua, koska vuosikymmenien ajan olemme tutkineet vain ainetta, joka määritelmän mukaan oli "tasapainossa": metalleja ja eristeitä.
Mutta ehdotuksia oli siitä, että universumissa esiintyy erilaisia omituisia aineita, jotka eivät ole tasapainossa ja joita emme ole edes alkaneet tutkia, mukaan lukien aikakristallit. Tiedämme nyt, että tämä ei ole fiktio.
Se tosiasia, että meillä on nyt ensimmäinen esimerkki 'epätasapainosta', voi johtaa läpimurtoon ymmärryksessämme ympärillämme olevasta maailmasta sekä tekniikoista, kuten kvanttilaskennasta.
”Tämä on uudenlainen asia, ajanjakso. Mutta on myös hienoa, että tämä on yksi ensimmäisistä epätasapainoasioista,”sanoo johtava tutkija Norman Yao Kalifornian yliopistosta, Berkeley.
”Viime vuosisadan toisella puoliskolla olemme tutkineet tasapainossa olevaa ainetta, kuten metalleja ja eristeitä. Ja vasta nyt olemme astuneet 'epätasapainoisen' aineen alueelle."
Mainosvideo:
Mutta pysähdytämme ja katsotaan taaksepäin, aikakiteiden käsite on ollut olemassa jo useita vuosia.
Nobel-palkittu fysiikan teoreetikko Frank Wilczek ennusti niitä ensimmäisen kerran vuonna 2012. Aikakiteet ovat rakenteita, jotka näyttävät olevan liikkeessä pienimmälläkin energiatasolla, jota kutsutaan perustilaksi tai lepotilaksi.
Yleensä, jos aine on perustilassa, joka tunnetaan myös nimellä järjestelmän nollaenergian tila, se tarkoittaa, että liike on teoriassa mahdoton, koska se vaatii energiaa.
Mutta Wilczek väitti, että tämä ei koske ajan kiteitä.
Tavallisissa kiteissä atomihila toistuu avaruudessa, samoin kuin timantin hilahila. Mutta kuten rubiini tai smaragdi, ne eivät liiku, koska ne ovat tasapainossa perustilassaan.
Ja aikakiteissä rakenne toistuu myös ajassa, ei vain tilassa. Ja siksi he ovat liikkeessä perustilassa.
Kuvittele hyytelöä. Jos pistät sitä sormella, se alkaa värähtellä. Sama asia tapahtuu ajan kiteissä, mutta suuri ero on, että ne eivät vaadi energiaa liikkuakseen.
Aikakristalli on kuin jatkuvasti värisevä hyytelö tavanomaisessa, perustilassaan, ja tämän vuoksi se tekee uudentyyppisestä aineesta - 'epätasapainosta'. Joka ei vain voi istua paikallaan.
Mutta on yksi asia ennustaa tällaisten kiteiden olemassaoloa, ja aivan toinen asia luoda ne tosiasiallisesti, mitä tapahtui viimeisimmässä tutkimuksessa.
Yao ja hänen tiiminsä loivat yksityiskohtaisen kaavion, jossa he kuvasivat yksityiskohtaisesti kuinka aikakristallin ominaisuudet luodaan ja mitata, ja jopa ennustaa, minkä aikakristallin ympäröivien eri vaiheiden tulisi olla, toisin sanoen, he kuvasivat uuden tyyppisen aineen kiinteiden, nestemäisten ja kaasumaisten tilojen vastaavuuksia.
Yao kutsui Physical Review Letters -lehdessä julkaistua artikkelia "silta teoreettisen idean ja kokeellisen toteutuksen välille".
Ja tämä ei ole ollenkaan spekulointia. Yaon ohjeiden mukaisesti kaksi riippumatonta ryhmää - yksi Marylandin yliopistosta ja toinen Harvardista - onnistui luomaan omat aikakristallinsa.
Molempien tutkimusten tulokset ilmoitettiin viime vuoden lopulla arXiv.org-sivustossa (täällä ja täällä), ja ne lähetettiin vertaisarvioituihin lehtiin julkaistavaksi. Yao on kirjoittanut molemmat artikkelit.
Odotettaessa julkaisuja on syytä suhtautua skeptisesti lausuntoihin. Mutta se tosiasia, että kaksi riippumatonta ryhmää onnistui luomaan aikakiteitä käyttäen samaa järjestelmää täysin erilaisissa olosuhteissa, vaikuttaa lupaavalta.
Marylandin yliopistossa aikakristallit luotiin 10 ytterbium-ionin ketjusta, joissa kaikissa oli takertuneita elektronin pyöriä.
Avain tämän emäksen muuttamiseksi ajan kideksi oli pitää ionit epätasapainossa, ja tätä varten ne iskiin vuorostaan kahdesta laserista. Yksi laser loi magneettikentän, toinen laser avasi osittain atomien kehät.
Koska atomien spinnit olivat alun perin takertuneet, ne siirtyivät pian vakaan, toistuvan spin-kiertokaavion, joka määrittelee kiteen.
Tämä oli normaalia, mutta voidakseen tulla ajan kiteeksi, järjestelmän piti hajottaa symmetria ajoissa. Tarkkaillessaan ytterbiumatomien ketjua tutkijat huomasivat jotain epätavallista.
Kaksi laseria, jotka löysivät ajoittain ytterbium-atomeja, aiheuttivat toiston järjestelmässä jaksolla, joka on kaksi kertaa niin pitkä kuin 'iskujen' jakso, mikä oli juuri sitä, mitä ei voinut tapahtua normaalissa järjestelmässä.
"Eikö olisi kovin outoa, jos nappasi hyytelöä ja huomaat, että se reagoi siihen eri ajanjaksoilla?" - selittää Yao.
”Mutta tämä on aikakristallin luonne. Sinulla on jonkinlainen patogeeni, jonka jakso on T, mutta järjestelmä on jotenkin synkronoitu, ja tarkkailet sen liikettä ajanjaksolla, joka ylittää T."
Aikakiteet voivat sitten muuttaa magneettikentästä ja laserin pulsaatiosta vaihetta, kuten sulava kuutio.
Crystal Harvardista oli erilainen. Tutkijat loivat sen käyttämällä timantissa olevia tiheitä typen tyhjiökeskuksia, mutta he tulivat samaan tulokseen.
"Nämä samanlaiset tulokset kahdesta hyvin erilaisesta järjestelmästä vahvistavat, että aikakristallit ovat laajalle levinnyt aineen muoto eikä mikään utelias ominaisuus, jota havaitaan vain pienessä, erityisessä järjestelmässä", Phil Rifermey Indianan yliopistosta selittää oheisessa tutkimuksessa. työ muistiinpanon perusteella, hän ei osallistunut tutkimukseen, mutta arvioi artikkelin.
"Tämän yhden aikakristallin havaitseminen … vahvistaa, että symmetriamurtumia voi tapahtua kaikilla luonnonalueilla, ja tämä avaa uusia alueita tutkimukselle."
Yaon kaavio on julkaistu Physical Review Letters -lehdessä, ja täältä voit lukea Harvardin aikakristallisen tutkimuksen ja Marylandin yliopiston lehden.