Oficial deja: Cristalele de timp sunt o nouă stare a materiei

Cristale timp, o nouă stare a materiei, pe care acum chiar putem să o creăm

La începutul acestui an, fizicienii au pus la cale un plan cu scopul de a măsura şi a crea cristalele timp – o stare bizară a materiei cu o structură atomică care nu se repetă doar în spaţiu, dar şi în tmp, permiţându-i  să menţină oscilaţii constante fără energie.

În ianuarie, două echipe de cercetare separate au reuşit să creeze ceea ce păreau o mulţime de cristale timp, iar acum, pentru prima dată, ambele experimente au trecut cu succes revizuirea, punând fenomenul „imposibil” pe făgaşul realităţii.

„Noi am luat aceste idei teoretice formulate ultimii doi ani şi, de fapt, le-am construit în laborator”, a spus Andrew Potter, unul din cercetători de la Universitatea din Texas, Austin.

Cristalele timp sunt unul din cele mai  superbe lucruri prezentate în ultimele luni, deoarece acestea indică spre o întreagă lume nouă de stări „non-echilibru” (en), care sunt total diferite de ceea ce au studiat oamenii de ştiinţă în trecut.

Timp de decenii noi am studiat materia, cum ar fi metalele şi izolatoarele, care sunt definite ca fiind în”echilibru” – o stare în care toţi atomii dintr-un material au aceaşi cantitate de căldură.

Acum se pare că, cristalele timp sunt primul exemplu a presupusei dar nestudiatei stări „non-echilibru” a materiei şi aceasta ar putea revoluţiona modul în care stocăm şi transferăm informaţiile prin intermediul sistemelor cuantice.

„Acesta denotă că, bogăţia stărilor materiei este chiar mai largă [decât am gândit anterior]”, a spus pentru Gizmodo (en) fizicianul Norman Yao de la Universitatea din California, Berkeley, care a publicat planul în ianuarie.

Vedeţi şi: Fizicienii au descoperit o nouă stare a materiei în materialele supraconductoare

„Unul din graalele sfinte ale fizicii este înţelegerea tipurilor de materie ce pot exista în natură. Fazele echilibru şi non-echilibru reprezintă o cale diferită de toate lucrurile studiate anterior”.

Pentru prima dată propuse de laureatul Premiului Nobel fizicianul Frank Wilczek în 2012 (en), cristalele timp sunt structuri atomice ce par să aibă mişcare chiar şi în starea cu minimă energie, cunoscută ca starea fundamentală (en).

De obicei, atunci când materialul intră în starea fundamentală – de asmenea, menţionată ca energia punctului zero a unui sistem – teoretic, mişcarea ar trebui să fie imposibilă, deoarece aceasta ar avea nevoie să cheltuie energie.

Dar, Wilczek şi-a imaginat un obiect care ar putea duce la o mişcare veşnică, chiar şi în stare fundamentală,  prin   a schimba în rânduri repetate alinierea atomilor în interiorul cristalului – scoţândul din starea fundamentală, apoi întorcândul înapoi şi repetând acest proces din nou.

Pentru ca să fie clar – aceasta nu este o maşină de mişcare perpetuă, deoarece energia din sistem este egală cu zero.

Dar, iniţial ipoteza părea puţin probabilă din alt motiv.

Ipoteza ne sugerează un sistem care atentează la unele din cele mai fundamentale prezumţii a înţelelgerii curente a fizicii – simetria tranziţiei-timpului – care declară că legile fizicii sunt aceleaşi peste tot şi pentru totdeauna.

După cum a explicat Daniel Oberhaus pentru Motherboard, simetria tranziţiei timpului este motivul pentru care ar fi imposibil de a arunca o monedă şi a avea într-un moment dat o probabilitate cap sau pajură de 50/50, iar la aruncarea ei data următoare, şansele de odată să devie de 70/30.

Dar, anumite obiecte pot rupe aceeastă simetrie a sistemului în stare minimă de energie, fără a încălca legile fizicii.

Spre exemplu magnetul, care are un pol nord şi unul sud la capete. Rămâne neclar modul în care magnetul ‘decide’ care capăt va fi nord şi care sud, dar faptul că el are un nord şi un sud înseamnă că el nu este acelaş la capete – deci, el este asimetric.

Un alt exemplu de obiect fizic cu o stare fundamentală asimetrică este cristalul.

Cristalele sunt cunoscute pentru modelele lor structurale repetitive, dar atomii din interiorul lor au poziţii ‘preferate’ în zăbrele.

Deci, în funcţie de locul unde veţi observa un cristal în spaţiu, el va arăta diferit – legile fizicii numai sunt simetrice, deoarece ele nu se mai aplică în mod egal (en) în toate punctele din spaţiu.

Pentru a înţelege ce este o rupere a simetriei, imaginaţivă apa în stare lichidă. Într-o picătură de apă, moleculele sunt libere să se mişte şi pot fi oriunde în interiorul lichidului.

Lichidul arată la fel în orice direcţie, ceea ce înseamnă că are un grad ridicat de simetrie.

În cazul în care apa îngheaţă, forţa de atracţie între molecule le forţeză pe ele să se aranjeze într-un cristal, unde moleculele sunt distanţate la intervale regulate.

Dar, această regularitate înseamnă că cristalul nu este la fel de simetric ca lichidul, astfel spunem că simetria lichidului a fost ruptă atunci când s-a creat gheaţa.

Luând în considerare aceste lucruri, Wilczek a propus posibilitatea creării unui obiect care atinge o stare fundamentală asimetrică nu doar în spaţiu, ca magneţii şi cristalele obişnuite, dar şi în timp.

Vedeţi şi: Recent oamnenii de ştiinţă au descoperit o nouă stare a materiei

Cu alte cuvinte, ar putea atomii prefera diferite stări, la intervale diferite de timp?

Mai înainte cu câţiva ani, atât cercetătorii americani cât şi cei japonezi au arătat că acest lucru ar fi posibil, cu o majoră abatere de la propunerea lui Wilczek – cu scopul de a obţine cristale de timp, care trec dintr-o stare în alta în mod repetat, este nevoie de a le da câte un „ghiont” din când în când.

În luna ianuarie a acestui an, Norman Yao a reprezentat modul în care poate fi construit un astfel de sistem, descriindu-l pentru Elizabeth Gibney de la Nature, ca un sistem de încălcare a simetriei mai ‘slab’, decât şi-a imaginat Wilczek.

„Este ca şi cum te-ai juca cu o coardă pentru sărituri şi în timp ce braţul se învârte în jur de două ori, coarda se învârte numai odată”, a spus el (en), adăugând că în versiunea lui Wilczek, coarda va oscila de la sine.

„Este o ideie mai puţin ciudată ca prima, dar rămâne surpirnzător de stranie”.

Două echipe separate de cercetători, una condusă de Universitatea din Maryland, iar cealălalta de Universitatea de la Harvard, au luat acest plan şi l-au pus în aplicare, creând două versiuni diferite ale unui cristal de timp, care arătau destul de viabile.

„Ambele sisteme sunt foarte superbe. Ele sunt ceva foarte diferit. Eu cred că ele sunt extrem de complementare”, a spus Yao pentru Gizmodo.

„Eu nu cred că unul este mai bun decât celălalt. Ele înfăţişează două aspecte diferite ale fizicii. Faptul că vedeţi această fenomenologie similară în sisteme foarte diferite este cu adevărat uimitor”.

Descrise în lucrarile prealabile din ianuarie (en), cristale timp ale Universităţii din Maryland au fost create din 10 ioni de yterbiu puşi în linie congo (en) (dans de origine cubanez unde oamenii se mişcă unul după altul în cerc), toţi cu un spin al electronilor încurcat (Încurcătură sau entanglement cuantic: dacă avem două particule entanglate e suficient de ştiut direcţia spinului unei particule pentru a afla direcţia spinului celeilalte, spre exemplu dacă una va avea spinul cu starea-sus cealaltă neapărat va avea un spin cu starea-jos).

O lămurire mai detailată puteţi vedea în acest video: What is Quantum Mechanical Spin?

După cum a raportat Fiona MacDonald:

„Cheia pentru a transforma această structură într-un cristal de timp, a fost menţinerea ionilor în afara echilibrului şi pentru a face acest lucru, cercetătorii în rânduri repetate iau lovit cu două lasere. Un laser a creat un câmp magnetic, al doilea laser a dat parţial un imbold spinului atomilor”.

Deoarece spinul tuturor atomilor era cuantic inseparabil (entanglement), atomii s-au aranjat într-un model stabil cu spin relansat repetitiv care defineşte un cristal, dar el a făcut ceva cu adevărat straniu pentru a deveni cristal timp – modelul de spin relansat s-a repetat doar pe jumătate la fel de repede ca şi impulsurile laserului.

Vedeţi şi: 10 curiozitaţi din fizică şi lucruri ciudate

„Nu ar fi ciudat dacă ai agita jeleul şi vei constata că, întrun fel, el a răspuns la o perioadă diferită?”, a explicat Yao (en).

În schimb, cristalele timp de la Harvard, au utilizat diamantele încărcate cu aşa de multe impurităţi de azot, încât ele au devenit negre (en).

Spinul acestor impurităţi a fost capabil de aşi schimba direcţia înainte şi înapoi, similar ca spinul ionilor de yterbiu în experimentul echipei din Maryland.

Acesta a fost un moment excitant pentru fizică, dar în cele din urmă aceste lucruri au devenit oficiale, deoarece ambele experimente au trecut revizuirea, şi au apărut în lucrări separate în Nature, aici şi aici.

Şi acum când ştim că aceste lucruri există, a venit momentul să facem mai multe, şi să le punem în utilizare.

Una dintre cele mai promiţătoare aplicaţii pentru cristalele timp, este computerul cuantic, acestea ar putea permite fizicienilor să creeze sisteme cuantice stabile la temperaturi mult mai ridicate decât pot fi realizate la moment şi aceasta ar putea fi un impuls de care avem nevoie pentru ca în cele din urmă să creem un computer cuantic real.