Time Crystals Created, Suspending Laws Of Physics

{h1}

Wetenschappers hebben een exotische vorm van materie gecreëerd die bekend staat als een tijdkristal, dat de wetten van de thermodynamica lijkt te trotseren.

Noot van de redacteur: dit artikel werd bijgewerkt op 9 maart om 11:20 uur E.T.

Een bizarre nieuwe staat van materie die bekend staat als een tijdkristal lijkt de wetten van de thermodynamica bijna voor onbepaalde tijd op te schorten, suggereren twee nieuwe experimenten.

Het tijdskristal is in essentie een verzameling atomen of ionen die ver uit elkaar liggen maar toch met elkaar in wisselwerking staan. Deze vorm van materie blijft "tikken" voor onbepaalde tijd met een bepaalde frequentie, zonder opwarming of het creëren van entropie, de natuurlijke staat van wanorde die altijd in het universum toeneemt. Tijdkristallen werken vanwege kwantumeffecten, of de bizarre regels die de menagerie van kleine subatomaire deeltjes beschrijven.

De nieuw gecreëerde materie voegt zich bij een groot aantal andere exotische toestanden van materie, zoals supergeleiders, quantum-spinvloeistoffen en supervloeistoffen.

"We hebben een nieuwe fase in de materie gevonden", zei co-auteur Soonwon Choi, een student in de theoretische natuurkunde aan de universiteit van Harvard. "Het is iets dat beweegt in de tijd terwijl het nog steeds stabiel is." [De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde]

Hoewel de hernieuwde staat van de materie op zichzelf fascinerend is, zou het ook de weg kunnen banen voor kwantumcomputers die geen informatie verliezen, zei Choi.

Tijd kristal

Natuurkundige Frank Wilczek stelde eerst het idee van een tijdkristal voor in het tijdschrift Physical Review Letters in 2012. In die studie suggereerde hij een vorm van materie die spontaan 'tijdinvariantie', een fundamentele symmetrie in de tijd, breekt. Het concept van tijdinvariantie dicteert dat iets doen nu hetzelfde resultaat zou hebben als hetzelfde doen, bijvoorbeeld 1 minuut in de toekomst (alle andere voorwaarden zijn gelijk).

In de conceptie van Wilczek kunnen de kwantuminteracties tussen deeltjes, zoals ionen of subatomaire deeltjes, echter een toestand van materie creëren die herhaaldelijk in de tijd oscilleert, net zoals een kristal een structuur heeft die zich in de ruimte herhaalt. Dat betekent dat als de materie zou oscilleren met een periode van 2 minuten, het nu doen van iets met die kwestie andere resultaten zou opleveren dan hetzelfde over 1 minuut te doen. [Foto's: Exotische tijdkristallen gemaakt in het lab]

Om te begrijpen wat dit betekent, stel je twee mensen voor die een springtouw vasthouden en slingeren voor een derde persoon die springt. In gewone toestanden van materie, als het touw elke seconde een cirkel maakt, moet de persoon elke seconde springen. Maar in een tijdkristal is het alsof de springer zijn of haar voeten opheft elke keer dat het touw de grond raakt, en toch op de een of andere manier de tijd vasthoudt en niet verstrikt raakt in het touw, zei studie co-auteur Norman Yao, een fysicus aan de University of California, Berkeley, die eerder dit jaar een theoretisch kader ontwikkelde voor het testen van tijdkristallen.

Meer recentelijk hebben follow-upwerkzaamheden die voortbouwden op het idee van Wilczek aangetoond dat tijdkristallen niet konden bestaan ​​in thermisch evenwicht. (Een fundamenteel principe van de thermodynamica is dat twee objecten die in contact komen uiteindelijk bij dezelfde temperatuur in de stabiele toestand of thermisch evenwicht van het systeem terecht komen.) Maar kort daarna toonden onderzoekers aan dat tijdkristallen in dynamische toestanden kunnen bestaan, wanneer systemen veranderen snel en hebben nog geen thermisch evenwicht bereikt.

Eerder dit jaar ontwikkelde Yao, met Andrew Potter, een fysicus aan de Universiteit van Texas in Austin, en collega's een theoretisch artikel waarin de belangrijkste handtekeningen van een tijdkristal werden geïdentificeerd. Dat artikel voorspelde wat er zou gebeuren wanneer een dergelijk kristal smelt in een meer alledaagse toestand van materie en een experimentele manier aan het licht brengt om het bestaan ​​van tijdkristallen te bewijzen. Onafhankelijk ontwikkelden Choi en collega's hun eigen idee voor een methode om het bestaan ​​van tijdkristallen aan te tonen, en gingen vervolgens op zoek naar zo'n kristal in het laboratorium.

Thermodynamica ophouden

In een paar studies die vandaag (8 maart) in het tijdschrift Nature zijn gepubliceerd, hebben de onderzoekers aangetoond dat tijdkristallen in heel verschillende systemen kunnen bestaan.

Hier de opstelling voor het maken van een tijdskristal met behulp van een diamant gevuld met stikstofvacature defecten. Deze defecten werken als kleine spins die kunnen worden gemanipuleerd met laserlicht om een ​​tijdkristal te creëren.

Hier de opstelling voor het maken van een tijdskristal met behulp van een diamant gevuld met stikstofvacature defecten. Deze defecten werken als kleine spins die kunnen worden gemanipuleerd met laserlicht om een ​​tijdkristal te creëren.

Krediet: Georg Kucsko

Choi en zijn collega's aan de universiteit van Harvard gebruikten een diamant gevuld met 1 miljoen kleurcentra voor stikstofvacatures; dit zijn plekken in het koolstofkristalrooster van de diamant waar stikstofatomen de koolstofatomen hebben vervangen. Omdat stikstof kleiner is dan koolstof, laat deze vervanging een lege ruimte in het rooster achter, en de stikstof en de lege ruimte kunnen samenwerken als kleine deeltjes met spins. (De vacatures worden kleurcentra genoemd omdat de stikstofatomen kleur produceren in de diamanten, in dit geval zijn de diamanten zo vol met deze defecten dat ze er zwart uitzien.)

Met behulp van lasers en microgolfstraling pulseerde het team vervolgens periodiek deze stikstofvacatures, die vervolgens oscilleerden met een frequentie die de helft was van de frequentie van de straling die op hen werd gericht (de rijfrequentie genoemd).

In een tweede experiment op de Universiteit van Maryland hebben Potter, Yao en collega's 14 ionen ytterbium opgevangen met behulp van laserstralen en vervolgens de spins van de ionen gemanipuleerd met behulp van strak gefocusseerde laserstralen. Wederom werkte het materiaal als een tijdkristal, oscillerend op de helft van de aandrijffrequentie. Gedurende de duur van het experiment, heeft het materiaal niet opgewarmd, ondanks dat er veel energie in het systeem is gepompt, zei Potter.Dat is een teken dat de wetten van de thermodynamica niet in het spel kwamen tijdens de duur van het experiment, voegde hij eraan toe.

De Harvard-groep gebruikte bijvoorbeeld een systeem dat misschien geen perfecte tijdskristal is, zei Potter. Het systeem warmt niet veel op, maar genereerde wel langzaam warmte.

"Ze kijken uit naar een gecharmeerd bestaan ​​dat langzaam zal sterven als ze het lang genoeg laten lopen", vertelde Potter aan WordsSideKick.com.

Daarentegen zou het experiment van de Universiteit van Maryland mogelijk voor onbepaalde tijd kunnen duren, hoewel het een veel kleiner aantal atomen gebruikte dat de definitie van wat een staat van materie vormt, uitrekt, zei Potter.

Maar de nieuwe bevindingen tonen aan dat het tijdskristal niet perfect geïsoleerd hoeft te zijn van warmte en entropie om zijn zich herhalende eigenschappen te vertonen, zei Yao. Dit betekent dat het verrassend eenvoudig kan zijn om deze exotische toestanden van materie te genereren, zei hij.

Het meest fascinerende aan deze experimenten is dat ze de potentie hebben om de wetten van de fysica voor onbepaalde tijd op te schorten, zei Potter. Als een kop warme koffie die nooit op kamertemperatuur komt, blijft "extra energie gewoon op zijn plaats en het systeem komt nooit in evenwicht met één temperatuur", zei Potter.

Het is echter belangrijk op te merken dat deze tijdkristallen niet de fundamentele wetten van de thermodynamica per se "breken"; ze zetten ze gewoon uit zolang het experiment loopt, zei Potter.

"Thermodynamica is alleen bedoeld om het gedrag op lange termijn te beschrijven als je eenmaal deze thermische stabiele toestand hebt bereikt, dus het beschrijft nooit kortetermijndynamica voordat je een thermisch evenwicht bereikt," zei Potter.

Door het systeem in een dynamische toestand te houden, houden de nieuwe experimenten de zaak eenvoudig vast in een regime waarin de thermodynamica normaal gesproken niet van toepassing zou zijn, voegde hij eraan toe.

Noot van de redacteur: dit artikel werd bijgewerkt om op te merken dat vervolgwerk met tijdskristallen niet kon bestaan ​​in thermisch evenwicht was gebaseerd op het idee van Frank Wilczek, niet dat van Norman Yao.

Oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.


Video Supplement: Time crystals are (not) interesting.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com