Fysikere skaber verdens første gang krystal

Krystaller er ekstraordinære objekter, ikke mindst på grund af deres symmetri. Krystaller danner gentagne mønstre, der er ens i nogle retninger, men ikke alle retninger. Det er noget af en overraskelse i betragtning af, at fysikkens love, som styrer deres dannelse, er de samme i alle retninger.

At fysikkens love er rumligt symmetriske, men krystaller ikke er det, er et fænomen kendt som symmetribrud. Det sker ikke ved at tilføje energi til et system, men ved at tage det væk. Faktisk er krystaller en manifestation af systemer i deres laveste energitilstande.

Men fysikkens love er ikke kun symmetriske i rummet, men også i tiden. Og det rejser det interessante spørgsmål, om det er muligt at bryde tidssymmetri på samme måde. Er det med andre ord muligt at skabe tidskrystaller?

I dag får vi et svar takket være arbejdet fra Chris Monroe ved University of Maryland i College Park og et par venner, som for første gang har skabt en tidskrystal i deres laboratorium.

Den grundlæggende proces til fremstilling af tidskrystaller er ligetil. Ideen er at skabe et kvantesystem, såsom en gruppe ioner arrangeret i en ring, og afkøle dem, indtil de er i deres laveste energitilstand. Under disse omstændigheder ville fysikkens love foreslå, at ringen skulle være perfekt stationær.

Men hvis tidssymmetrien blev brudt, så kunne ringen variere periodisk i tid. Den ville med andre ord rotere. Selvfølgelig ville det aldrig være muligt at udvinde energi fra denne bevægelse - det ville krænke energibevarelsen. Men det tidsmæssige symmetribrud ville manifestere sig i denne gentagne bevægelse i tiden, ligesom rumlig symmetribrud manifesterer sig som gentagne mønstre i rummet.

Det er teorien, men i den virkelige verden er tingene ikke helt så enkle. Hovedproblemet er, at kvanteverdenen ikke er styret af tidsafhængige variable, så tidssymmetri kan ikke brydes på denne skala. Så under almindelige omstændigheder ville afkøling af en ring af ioner til deres laveste energitilstand efterlade dem stationære.

Men der er omstændigheder, hvor kvantesystemer udvikler sig over tid. Munro og co har fokuseret på disse: kvantesystemer, der ikke er i ligevægt. Deres kvantesystem er en linje af ytterbiumioner med spins, der interagerer med hinanden.

Den interaktion fører til en særlig form for adfærd. Et af de mærkelige træk ved kvantepartikler er, at de normalt ikke findes på bestemte steder. I stedet er de spredt ud i rummet med chancerne for, at de dukker op hvor som helst styret af sandsynlighedslovene.

Men i nogle tilfælde kan dette ændre sig. For eksempel kan en enkelt elektron inde i et materiale forstyrre sig selv på en måde, der tvinger den til at dukke op på et enkelt sted. Dette er kendt som Anderson-lokalisering efter fysikeren, der forudsagde det i 1950'erne.

For nylig har fysikere undersøgt grupper af kvantepartikler, der interagerer med hinanden på en måde, der får dem alle til at blive lokaliseret. Denne såkaldte mange kropslokalisering er en delikat tilstand, der holder kvantepartiklerne i en tilstand uden for ligevægt. Med andre ord tvinger det dem til at blive lokaliseret. Og det er præcis sådan denne kæde af ytterbium-ioner opfører sig.

En af de vigtigste egenskaber ved disse ioner er deres magnetisering eller spin, som kan vendes op eller ned ved hjælp af en laser. Vending af spin af en ion får den næste til at vende, og så videre. Disse spin-interaktioner svinger derefter med en hastighed, der afhænger af, hvor regelmæssigt laseren vender det oprindelige spin. Med andre ord bestemmer drivfrekvensen oscillationshastigheden.

Men da Monroe og co målte dette, fandt de en anden effekt. Disse fyre opdagede, at efter at have tilladt systemet at udvikle sig, skete interaktionerne med en hastighed, der var to gange den oprindelige periode. Da der ikke er nogen drivkraft med den periode, er den eneste forklaring, at tidssymmetrien må være brudt, og derved tillade disse længere perioder. Monroe og co havde med andre ord skabt en tidskrystal.

Holdet fortsatte med at måle nogle af egenskaberne af disse krystaller. De fandt for eksempel ud af, at ændring af kørefrekvensen ikke ændrede frekvensen af ​​tidskrystallen. Dette repræsenterer 'stivheden' af den diskrete tidskrystal, siger de.

Og de fandt ud af, at andre forstyrrelser i sidste ende kunne ødelægge tidskrystallen. Når forstyrrelserne er for store, 'smelter' krystallen, siger Monroe og co.

Det er interessant, hvis esoterisk, arbejde. Det viser, at tidskrystallerne faktisk kan eksistere, som forudsagt i 2012 af den nobelprisvindende fysiker Frank Wilczek ved MIT og Al Shapere ved University of Kentucky.

Hvad angår ansøgninger, kommer Monroe og co med et par forslag. De siger for eksempel, at tidskrystaller kunne bruges til kvanteinformationsopgaver, såsom implementering af en robust kvantehukommelse.

Men den eksotiske karakter af mange kropslokaliseringer og det faktum, at det stadig er dårligt forstået, kan betyde, at andre fysikere vil undersøge arten af ​​denne effekt omhyggeligt, før de bekræfter, at den virkelig viser eksistensen af ​​tidskrystaller.

Så der er mere spændende arbejde at gøre.

Ref: http://arxiv.org/abs/1609.08684 : Observation af en diskret tidskrystal

skjule