Pastāvīgi kustībā, netērējot enerģiju
Jau vairākus mēnešus tiek runāts par to, ka pētniekiem ir izdevies radīt laika kristālus - dīvainus kristālus, kuru atomu struktūra atkārtojas ne tikai telpā, bet arī laikā, kas nozīmē, ka tie pastāvīgi pārvietojas bez enerģijas tērēšanas.
Tagad tas ir oficiāli apstiprināts: Pētnieki tikai nesen sīki atklāja, kā izveidot un izmērīt šos dīvainos kristālus. Un divas neatkarīgas zinātnieku grupas apgalvo, ka viņiem faktiski ir izdevies radīt laika kristālus laboratorijā, izmantojot sniegtos norādījumus, tādējādi apstiprinot pilnīgi jauna veida matērijas esamību.
Atklājums var šķist pilnīgi abstrakts, taču tas sludina jauna laikmeta sākumu fizikā, jo daudzu gadu desmitu laikā mēs esam pētījuši tikai matēriju, kas pēc definīcijas bija “līdzsvarā”: metālus un izolatorus.
Bet bija ierosinājumi par visdažādāko dīvaino matēriju veidu eksistenci, kas neatrodas līdzsvarā un kurus mēs pat neesam sākuši pētīt, ieskaitot laika kristālus. Tagad mēs zinām, ka tas nav izdomājums.
Pats fakts, ka mums tagad ir pirmais “nelīdzsvarota” jautājuma piemērs, varētu novest pie mūsu izpratnes par apkārtējo pasauli, kā arī tādām tehnoloģijām kā kvantu skaitļošana.
“Šis ir jauna veida jautājums, periods. Bet tas ir arī forši, ka šis ir viens no pirmajiem “nelīdzsvarotā” jautājuma gadījumiem,”saka galvenais pētnieks Normens Jao no Kalifornijas universitātes Bērklijā.
“Visu pagājušā gadsimta otro pusi mēs pētījām līdzsvara stāvoklī esošās vielas, piemēram, metālus un izolatorus. Un tikai tagad mēs esam iekāpuši “nelīdzsvarota” materiāla teritorijā."
Reklāmas video:
Bet apturēsim un atskatīsimies, laika kristālu jēdziens pastāv jau vairākus gadus.
Pirmoreiz tos prognozēja Nobela prēmijas laureātu fizikas teorētiķis Frenks Vilczeks 2012. gadā. Laika kristāli ir struktūras, kas, šķiet, atrodas kustībā pat pie vismazākā enerģijas līmeņa, ko sauc par zemes stāvokli vai miera stāvokli.
Parasti, ja matērija atrodas pamata stāvoklī, ko sauc arī par sistēmas nulles enerģijas stāvokli, tas nozīmē, ka kustība teorētiski nav iespējama, jo tai nepieciešama enerģija.
Bet Vilčeks apgalvoja, ka tas neattiecas uz laika kristāliem.
Parastajos kristālos atomu režģis atkārtojas telpā, tāpat kā dimanta oglekļa režģis. Bet, tāpat kā rubīns vai smaragds, tie nepārvietojas, jo pamata stāvoklī ir līdzsvarā.
Un laika kristālos struktūra tiek atkārtota arī laikā, ne tikai telpā. Tāpēc viņi ir kustībā pamata stāvoklī.
Iedomājieties želeju. Ja jūs to sasitīsit ar pirkstu, tas sāks vibrēt. Tas pats notiek laika kristālos, taču liela atšķirība ir tā, ka pārvietošanai viņiem nav nepieciešama enerģija.
Laika kristāls ir kā pastāvīgi vibrējošs ķīselis parastajā, pamatstāvoklī, un tieši tas to padara par jauna veida matēriju - “nevienmērīgu” lietu. Kurš vienkārši nespēj mierīgi sēdēt.
Bet viena lieta ir paredzēt šādu kristālu esamību, un pavisam kas cits ir tos faktiski radīt, kas ir noticis jaunākajos pētījumos.
Yao un viņa komanda izveidoja detalizētu diagrammu, kurā viņi sīki aprakstīja, kā izveidot un izmērīt laika kristāla raksturlielumus, un pat paredzēt, kādām vajadzētu būt dažādajām fāzēm, kas apņem laika kristālu, citiem vārdiem sakot, viņi aprakstīja jauna veida materiāla cieto, šķidro un gāzveida stāvokļu ekvivalentus.
Yao rakstā, kas publicēts Physical Review Letters, sauca par "tiltu starp teorētisko ideju un eksperimentālo īstenošanu".
Un tā vispār nav spekulācija. Pēc Yao norādījumiem divām neatkarīgām grupām - vienai no Merilendas universitātes un otrajai no Hārvardas - izdevās izveidot savus laika kristālus.
Abu pētījumu rezultāti tika paziņoti pagājušā gada beigās vietnē arXiv.org (šeit un šeit), un tika nosūtīti publicēšanai recenzētos žurnālos. Yao ir abu rakstu autors.
Kamēr mēs gaidām publikācijas, ir vērts palikt skeptiskiem par paziņojumiem. Bet tas, ka divām neatkarīgām grupām izdevās izveidot laika kristālus, izmantojot to pašu shēmu pilnīgi atšķirīgos apstākļos, izklausās daudzsološi.
Merilendas universitātē laika kristāli tika izveidoti no 10 ytterbium jonu ķēdes, visiem ar savijušiem elektronu griezieniem.
Galvenais, lai šo bāzi pārvērstu laika kristālā, bija jonu noturēšana līdzsvara stāvoklī, un, lai to izdarītu, tie tika notriekti pēc kārtas no diviem lāzeriem. Viens lāzers izveidoja magnētisko lauku, otrs lāzers daļēji atlokoja atomu griešanos.
Tā kā atomu griešanās sākotnēji bija sapinušies, tie drīz ienāca stabilā, atkārtotā grieziena rotācijas shēmā, kas nosaka kristālu.
Tas bija normāli, taču, lai kļūtu par laika kristālu, sistēmai savlaicīgi bija jāizjauc simetrija. Vērojot iterbija atomu ķēdi, pētnieki pamanīja kaut ko neparastu.
Divi lāzeri, periodiski sitot ytterbija atomus, izraisīja atkārtošanos sistēmā ar periodu, kas ir divreiz ilgāks par “satricinājumu” periodu, kas bija tieši tas, kas normālā sistēmā nevarēja rasties.
"Vai nebūtu ļoti dīvaini, ja jūs nokostu želeju un konstatētu, ka tā reaģē uz to dažādos laika periodos?" - skaidro Jao.
“Bet tāda ir laika kristāla būtība. Jums ir kaut kāds patogēns ar periodu T, bet sistēma ir kaut kādā veidā sinhronizēta, un jūs novērojat tā kustību ar periodu, kas pārsniedz T."
Atkarībā no magnētiskā lauka un lāzera pulsācijas laika kristāls pēc tam varētu mainīt tā fāzi, piemēram, kūstoša kuba.
Kristāls no Hārvardas bija atšķirīgs. Pētnieki to izveidoja, izmantojot dimantā blīvus slāpekļa vakances centrus, taču viņi nāca klajā ar tādu pašu rezultātu.
"Šie līdzīgie rezultāti no divām ļoti atšķirīgām sistēmām apstiprina, ka laika kristāli ir plaši izplatīts matērijas veids, nevis kāda ziņkārīga iezīme, kas tiek novērota tikai nelielā, īpašā sistēmā," skaidro Fils Rifermejs no Indiānas universitātes saistītajā pētījumā. darba piezīme, viņš pētījumā nepiedalījās, bet rakstu pārskatīja.
"Šī viena laika kristāla novērošana … apstiprina, ka simetrijas pārrāvums var notikt visās dabas jomās, un tas paver jaunas jomas pētniecībai."
Jao diagramma tika publicēta žurnālā Physical Review Letters, un šeit varat lasīt Hārvarda rakstu par laika kristāliem un Merilendas universitātes rakstu šeit.