(Pete Linforth/Pixabay) Seit Monaten Es gab Spekulationen dass Forscher möglicherweise endlich Zeitkristalle geschaffen haben – seltsame Kristalle mit einer atomaren Struktur, die sich nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit wiederholt und sie ohne Energie in ständige Schwingungen versetzt.
Jetzt ist es offiziell – Forscher haben gerade ausführlich darüber berichtet, wie man diese bizarren Kristalle herstellen und vermessen kann. Und zwei unabhängige Wissenschaftlerteams behaupten, sie hätten auf der Grundlage dieses Bauplans tatsächlich Zeitkristalle im Labor geschaffen und damit die Existenz einer völlig neuen Phase der Materie bestätigt.
Die Entdeckung mag ziemlich abstrakt klingen, aber sie läutet eine völlig neue Ära der Physik ein – seit Jahrzehnten untersuchen wir Materie, die als „im Gleichgewicht“ definiert ist, wie etwa Metalle und Isolatoren.
Aber es wurde vorhergesagt, dass es da draußen im Universum noch viele weitere seltsame Arten von Materie gibt, die sich nicht im Gleichgewicht befinden und mit denen wir noch nicht einmal begonnen haben, sie zu untersuchen, darunter auch Zeitkristalle. Und jetzt wissen wir, dass sie echt sind.
Die Tatsache, dass wir jetzt das erste Beispiel von Materie haben, die sich nicht im Gleichgewicht befindet, könnte zu Durchbrüchen in unserem Verständnis der Welt um uns herum sowie zu neuen Technologien führen, z Quanten-Computing .
„Dies ist eine neue Phase der Materie, Punkt, aber es ist auch wirklich cool, weil es eines der ersten Beispiele für Materie im Nichtgleichgewicht ist.“ sagte der leitende Forscher Norman Yao von der University of California, Berkeley.
„Seit einem halben Jahrhundert erforschen wir Gleichgewichtsmaterien wie Metalle und Isolatoren. „Wir fangen gerade erst an, eine ganz neue Landschaft der Ungleichgewichtsmaterie zu erforschen.“
Machen wir einen Moment einen Schritt zurück, denn das Konzept der Zeitkristalle war schon lange da herumschweben schon seit ein paar Jahren.
Zuerst vom Nobelpreisträger und theoretischen Physiker Frank Wilczek vorhergesagt zurück im Jahr 2012 Zeitkristalle sind Strukturen, die selbst in ihrem niedrigsten Energiezustand Bewegung zu haben scheinen. bekannt als Grundzustand.
Normalerweise befindet sich ein Material im Grundzustand, auch bekannt als der Nullpunktsenergie Das bedeutet, dass eine Bewegung eines Systems theoretisch unmöglich sein sollte, da dafür Energie aufgewendet werden müsste.
Aber Wilczek sagte voraus, dass dies bei Zeitkristallen möglicherweise nicht der Fall sei.
Normale Kristalle haben eine atomare Struktur, die sich im Raum wiederholt – genau wie das Kohlenstoffgitter eines Diamanten. Aber genau wie ein Rubin oder ein Diamant sind sie bewegungslos, weil sie sich in ihrem Grundzustand im Gleichgewicht befinden.
Aber Zeitkristalle haben eine Struktur, die sich in der Zeit wiederholt, nicht nur im Raum. Und es schwingt weiterhin in seinem Grundzustand.
Stellen Sie es sich wie Gelee vor – wenn Sie darauf tippen, wackelt es immer wieder. Das Gleiche geschieht in Zeitkristallen, der große Unterschied besteht jedoch darin, dass die Bewegung ohne jegliche Energie erfolgt.
A Zeitkristall ist wie ständig oszillierendes Gelee in seinem natürlichen Grundzustand, und das macht es zu einer völlig neuen Phase der Materie – zur Nichtgleichgewichtsmaterie. Es ist unfähig, still zu sitzen.
Aber es ist eine Sache, die Existenz dieser Kristalle vorherzusagen, eine ganz andere, sie herzustellen, und hier kommt die neue Studie ins Spiel.
Yao und sein Team haben nun einen detaillierten Bauplan erstellt, der genau beschreibt, wie man einen Zeitkristall herstellt und dessen Eigenschaften misst, und sogar vorhersagt, wie die verschiedenen Phasen rund um die Zeitkristalle aussehen sollten – was bedeutet, dass sie das Äquivalent entworfen haben der festen, flüssigen und gasförmigen Phase für die neue Phase der Materie.
Veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung , Ihre ruft die Zeitung an „die Brücke zwischen der theoretischen Idee und der experimentellen Umsetzung“.
Und es ist auch nicht nur Spekulation. Basierend auf Yaos Blaupause wurden zwei unabhängige Teams gegründet – eines von der University of Maryland und eines von der University of Maryland einer aus Harvard - haben nun die Anleitung befolgt, um ihre eigenen Zeitkristalle herzustellen.
Beide Entwicklungen wurden Ende letzten Jahres auf der Preprint-Seite arXiv.org angekündigt ( Hier Und Hier ) und wurden zur Veröffentlichung in Fachzeitschriften eingereicht. Yao ist Co-Autor beider Artikel.
Während wir auf die Veröffentlichung der Papiere warten, müssen wir den beiden Behauptungen skeptisch gegenüberstehen. Aber die Tatsache, dass zwei verschiedene Teams denselben Bauplan verwendet haben, um Zeitkristalle aus völlig unterschiedlichen Systemen herzustellen, ist vielversprechend.
Die Zeitkristalle der University of Maryland wurden erschaffen indem man eine Conga-Linie aus 10 Ytterbiumionen nimmt, alle mit verschränkten Elektronenspins.
Chris Monroe, University of Maryland
Der Schlüssel zur Umwandlung dieses Aufbaus in einen Zeitkristall bestand darin, die Ionen aus dem Gleichgewicht zu halten, und um dies zu erreichen, trafen die Forscher sie abwechselnd mit zwei Lasern. Ein Laser erzeugte ein Magnetfeld und der zweite Laser drehte die Spins der Atome teilweise um.
Da die Spins aller Atome miteinander verschränkt waren, bildeten die Atome ein stabiles, sich wiederholendes Muster der Spinumkehr, das einen Kristall definiert.
Das war völlig normal, aber um ein Zeitkristall zu werden, musste das System die Zeitsymmetrie brechen. Und als die Forscher die Ytterbium-Atom-Conga-Linie beobachteten, bemerkten sie, dass etwas Seltsames vor sich ging.
Die beiden Laser, die die Ytterbiumatome periodisch anstupsten, erzeugten im System eine Wiederholung mit der doppelten Dauer der Anstöße, was in einem normalen System nicht vorkommen konnte.
„Wäre es nicht super seltsam, wenn Sie mit dem Wackelpudding herumwackeln und feststellen würden, dass es irgendwie zu einem anderen Zeitpunkt reagiert?“ sagte Yao.
„Aber das ist die Essenz des Zeitkristalls.“ Sie haben einen periodischen Treiber mit einer Periode „T“, aber das System synchronisiert sich irgendwie, sodass Sie beobachten können, wie das System mit einer Periode schwingt, die größer als „T“ ist.
Unter verschiedenen Magnetfeldern und Laserpulsen würde der Zeitkristall dann seine Phase ändern, genau wie ein Eiswürfel, der schmilzt.
Norman Yao, UC Berkeley
Der Harvard-Zeitkristall war anders. Die Forscher haben es mit dicht gepackten Stickstoff-Fehlstellenzentren in Diamanten aufgebaut, allerdings mit dem gleichen Ergebnis.
„Solche ähnlichen Ergebnisse, die in zwei völlig unterschiedlichen Systemen erzielt wurden, unterstreichen, dass Zeitkristalle eine umfassende neue Phase der Materie sind und nicht nur eine Kuriosität, die auf kleine oder eng spezifische Systeme beschränkt ist.“ erklärte Phil Richerme von der Indiana University, der nicht an der Studie beteiligt war, in einem perspektivischen Beitrag zu der Arbeit.
„Die Beobachtung des diskreten Zeitkristalls … bestätigt, dass Symmetriebrüche im Wesentlichen in allen natürlichen Bereichen auftreten können, und ebnet den Weg für mehrere neue Forschungswege.“
Yaos Blaupause wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung , und Sie können das Kristallpapier der Harvard-Zeit sehen Hier und der Artikel der University of Maryland Hier .
Update 31. Januar 2017: Wir hatten zuvor die konstante Schwingung der Zeitkristalle mit einer ständigen Bewegung im Grundzustand verglichen, was nicht korrekt ist. Wir haben diese Erklärung nun korrigiert.