Naudojant naują receptą, iškepti pirmieji pasaulyje laiko kristalai

MIT fizikas ir Nobelio premijos laureatas Frankas Wilczekas pirmasis iškėlė laiko kristalų idėją 2012 metais, dėstydamas apie įprastus kristalus, tokius, kaip druska ar snaigės. Tipiškame kristale atomai ar molekulės yra tvarkingai išsidėstę trimatėje erdvėje pasikartojančia struktūra ir sudaro gardelę.

Wilczekas pamanė, kad turėtų būti įmanoma sukurti panašią struktūrą ir laike, kuris reliatyvumo teorijoje laikomas ketvirtuoju matmeniu. Vietoje pasikartojančių atomų eilių, laiko kristale turėtų būti nuolat pasikartojantis judesys.

Daugelis fizikų tokius samprotavimus sutiko skeptiškai, teigdami, kad laiko kristalas, kurio atomai be papildomos energijos nuolat judėtų, būtų savotiškas perpetuum mobile – kurią fizikos dėsniai draudžia.

Wilczekas atsako, kad laiko kristalas labiau primena superlaidininką, kuriame elektronai juda be varžos, ir teoriškai galėtų tai daryti amžinai, nepapildant sistemos energijos. Laiko kristale elektronai keliautų uždaru ratu, o ne linija ir kartkartėmis susitelktų, užuot tekėję tolygiai, kartodamiesi laike panašiai, kaip atomai įprastame kristale kartojasi erdvėje.

Kristalo metodologija

Šią savaitę publikuotame straipsnyje, Normanas Yao iš Kalifornijos universiteto Berklyje su kolegomis pateikė laiko kristalo kūrimo receptą. Juo pasinaudojo jau dvi komandos.

Yao laiko kristale išorinė jėga – tarkime, lazerio impulsas – pakeičia vieno kristalo jono magnetinį sukinį, kuris savo ruožtu pakeičia kito, ir taip toliau – sistemoje vyksta pasikartojantys judesiai.

Yra du kritiškai svarbūs faktoriai. Pirmiausia, atlikus pradinį postūmį, tai turi būti uždara sistema, negalinti sąveikauti su aplinka ir taip prarasti energiją. Antra, laiko kristalo stabilumą palaiko kvantinių dalelių sąveika. „Tai yra atsirandantis reiškinys,” sako Yao. „Tam reikia, kad daug dalelių ir daug sukinių kalbėtųsi ir sinchronizuotųsi.”

Vadovaudamosi Yao receptu, dvi grupės kuria laiko kristalus laboratorijose. Praėjusį rugsėjį Chriso Monroe iš Marylando universiteto College Parke vadovaujama grupė sukūrė laiko kristalą iš įkalintos iterbio jonų grandinės.

Po mėnesio Michailo Lukino iš Harvardo universiteto vadovaujama grupė sukūrė laiko kristalą, panaudodama deimanto defektus. Abi komandos pateikė straipsnius publikavimui.

Pasikartojanti istorija

Abiem būdais gauti laiko kristalus identifikuojantys ženklai: pasikartojančios struktūros periodas turėtų būti dvigubai ilgesnis už sistemą sužadinusio lazerio impulso. Bet kaip išsiaiškinti, ar tai nutiko tik todėl, kad ji buvo periodiškai sužadinama lazerio impulsu? Įrodymas yra tai, kad kristale nusistovėjęs periodas skiriasi nuo sužadinusio impulso periodo.

Tai reiškia, kad laiko kristalai nėra tik keista įdomybė: jie atstovauja paprasčiausią naujos nepusiausviros medžiagos būsenos formą, kurią fizikai dar tik pradeda tyrinėti.

Spyridonas Michalakis, Kalifornijos technologijų instituto fizikas, sako, kad Yao darbas „nutiesia tiltą tarp teorijos ir eksperimento, pateikdamas konkrečius eksperimentinės platformos pasiūlymus”. Dabar šie pasiūlymai buvo sėkmingai įgyvendinti, ir straipsniai priimti publikavimui kitą mėnesį.

Laiko kristalai galėtų būti itin svarbūs kuriant stabilius kvantinių kompiuterių kubitus. Šiuose įrenginiuose informacija laikoma, naudojant kubitų susietumą, bet menkiausias aplinkos trikdis šį susietumą sunaikina, ir skaičiavimuose atsiranda klaidų.

Stengiantis to išvengti, galima kubitus kruopščiai izoliuoti. Bet kitos grupės, tarp kurių ir Microsoft Station Q, tyrinėja galimybę sukurti iš prigimties patvarius statybinius blokus – pavyzdžiui, sumezgant kubitus į mazgus. Yra topologinių būsenų, analogiškų laiko kristalams, kurios vieną dieną gali pasitarnauti kvantinės informacijos apdorojimui.

Žurnalo nuoroda: Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.030401

Jennifer Ouellette
newscientist.com