Cristale de timp

Oamenii de știință au reușit recent să creeze o nouă stare exotică a materiei, numită cristal de timp. Această nouă stare de agregare a materiei pare să suspende legile termodinamicii, dând materiei caracteristici care par dintr-un alt Univers.

O nouă stare bizară a materiei cunoscută cu numele „cristal de timp” pare să suspende legile termodinamicii aproape la infinit, după cum s-a demonstrate prin două noi experimente. Cristalul de timp este în esență o colecție de atomi sau ioni, care sunt destul de departe unul de altul, dar încă interacționează între ei. Această formă de materie „ticăie” pe termen nelimitat la o anumită frecvență, fără încălzire sau creare de entropie (starea naturală a dezordinii, care crește mereu în univers). Cristalele de timp au loc datorită efectelor cuantice, fiind explicate prin regulile bizare care descriu particulele minuscule subatomice. Starea nou creată în laborator se alătură seriei de alte forme exotice ale materiei, cum ar fi supraconductorii, lichidele cuantice spin și superfluidele.

„Am găsit o nouă formă a materiei”, a declarat co-autorul studiului Soonwon Choi, un student absolvent de fizică teoretică la Universitatea Harvard. „Este un fenomen fascinant în sine dar și ar putea deschide calea creării computerului cuantic, care va avea capacitate de stocare practic nelimitată.” a spus Choi.

Fizicianul Frank Wilczek a fost cel ce propus mai întâi ideea unui cristal de timp, în revista Physical Review Letters, în 2012. În acest studiu, el a sugerat o formă de materie care rupe în mod spontan „invarianța timp”, o simetrie fundamentală în timp. Conceptul de timp invarianță spune că obținem un șir de rezultate acum, același cu unul din viitor, repetat, de exemplu, la o perioadă egală în viitor (toate celelalte condiții fiind egale).

În concepția lui Wilczek interacțiunile cuantice dintre particule, cum ar fi ionii sau particulele subatomice, ar putea crea o stare a materiei care oscilează în mod repetat, în timp, la fel ca un cristal ce are o structură care se repetă în spațiu. Asta înseamnă că, în cazul în care materialul are o oscilație cu o perioadă de 2 minute, a face o intervenție cu ceva (energie, etc.) acum, ar produce rezultate diferite decât cînd se face același lucru la un interval de timp diferit de un multiplu al perioadei.

Pentru a ințelege ce inseamnă acest lucru, imaginați-vă doi oameni care țin de o frânghie întinsă pentru a treia persoană care face sărituri. În stări obișnuite ale materiei, în cazul în care coarda face un cerc în fiecare secundă, persoana trebuie să sară cu același ritm de o secundă. Dar, într-un cristal de timp, e cazul în care săritorul ridică picioarele sale în timpi diferiți, nesimultan cu coarda ce atinge solul, și totuși, într-un fel ciudat, nu se încurcă în coardă, a declarat co-autorul studiului Norman Yao, fizician la Universitatea Berkeley din California, care a dezvoltat, la inceputul acestui an, un cadru teoretic pentru testarea cristalelor de timp.

Mai recent un experiment a fost construit pe ideea lui Wilczek că mai multe cristale de timp ar putea coexista fără a atinge un echilibru termic. (Un principiu fundamental al termodinamicii ne spune că două obiecte cu temperaturi diferite în contact își vor schimba, în cele din urmă, temperatura, ajungînd la starea de echilibru termic al sistemului.) Dar, la scurt timp cercetătorii au arătat că aceste cristale de timp ar putea rezista în stări dinamice, atunci când sistemele se schimbă rapid și nu ar atinge echilibrul termic.

La începutul acestui an, Yao, Andrew Potter si colegii săi fizicieni la Universitatea din Austin, Texas au dezvoltat o lucrare teoretică care a identificat semnăturile-cheie ale unui cristal de timp. Acest document a prezis ce se va întâmpla atunci când un astfel de cristal se topește într-o stare mai banală a materiei și a expus un mod experimental de a dovedi existența cristalelor de timp. În mod independent, Choi și colegii săi au dezvoltat propria lor metodă de a demonstra existența cristalelor de timp și apoi au stabilit condițiile pentru a crea un astfel de cristal în laborator.

Într-o pereche de studii publicate curând,( în 8 martie 2017) în revista Nature, cercetătorii au arătat că pot exista cristalele de timp în sisteme foarte diferite. Mai sus sunt indicațiile pentru a crea un cristal de timp, folosind un diamant umplut cu defecte de azot de posturile vacante. Aceste defecte creează rotații magnetice (spini), care pot fi manipulate cu lumină laser pentru a crea un cristal de timp.

Choi si colegii săi de la Universitatea Harvard au folosit un diamant umplut cu 1 milion ioni de azot cu posturi vacante; acestea într-o rețea cristalină de carbon diamant în care atomii de azot au înlocuit atomii de carbon. Pentru că azotul este mai mic decât carbonul, această înlocuire lasă un spațiu gol pe orbite, iar azotul și spațiul gol pot acționa împreună ca ioni. (Locurile vacante sunt numite centre de culoare, deoarece atomii de azot produc culoare în diamante; în acest caz, diamantele sunt atât de pline de aceste defecte încât apar negre). Folosind lasere și radiații cu microunde, echipa a pulsat periodic aceste posturi vacante de azot, care apoi au oscilat cu o frecvență care a fost pe jumătate din frecvența radiației de bombardare (numită frecvență de conducere). Într-un al doilea experiment în baza de la Universitatea din Maryland, Potter, Yao și colegii săi au prins 14 ioni de yterbiu, folosind fascicule laser și apoi au manipulat spinii (rotațiile) ionilor folosind fascicule laser bine concentrate. Din nou, materialul a acționat ca un cristal de timp, oscilând la jumătate din frecvența de conducere. Pe durata experimentului, materialul nu s-a încălzit, în ciuda energiei mari pompate în sistem, a spus Potter. Asta e un semn că legile termodinamicii nu au funcționat în timpul experimentului, a adăugat el.

Grupul de la Harvard a comparat rezultatele cu cele obținute la un sistem care nu e un cristal de timp perfect, a spus Potter. Sistemul nu s-a încălzit mult, dar a generat căldură lent. „Ei caută această existență vrăjită, care va muri încet, în cazul în care lăsată să ruleze suficient de mult timp”, a declarat Potter revistei ”Live Science”.

În schimb,cei de la Universitatea din Maryland spun că experimentul ar putea să persiste pe termen nelimitat teoretic, deși au folosit un număr mult mai mic de atomi, care extind definiția a ceea ce constituie o nouă stare a materiei, a spus Potter. Dar noile descoperiri arată că ”magicul” cristal de timp nu are nevoie să fie izolat perfect de căldură și entropie și să prezinte proprietățile sale repetabile în timp, a declarat Yao. Acest lucru înseamnă că poate fi surprinzător de ușor de a genera aceste stări exotice ale materiei, a spus el. Lucrul cu adevărat fascinant despre aceste experimente este faptul că acestea au potențialul de a suspenda legile fizicii pe termen nelimitat, a spus Potter.

Ca o ceașcă de cafea fierbinte, care niciodată nu ajunge la temperatura camerei, „energia suplimentară doar stă în loc și sistemul nu se echilibrează niciodată la o temperatură”, a spus Potter. „Termodinamica e valabilă doar pentru a descrie comportamentul pe termen lung, (…)dar niciodată nu descrie dinamica pe termen scurt, înainte de a ajunge la echilibru termic”, a spus Potter. Prin păstrarea sistemului într-o stare dinamică, apoi, noile experimente, pur și simplu țineți problema într-un regim în care în mod normal termodinamica nu se aplică, a adăugat el. Activitatea de urmărire care prezintă cristalele de timp care coexistă în afara echilibrului termic s-a bazat pe ideea lui Frank Wilczek.