Bebizonyították: mégsem lehetetlen időkristályt alkotni

Először sikerült időkristályt létrehozni (illusztráció)

„Időkristály” – ez úgy hangzik, mint egy másodrangú sci-fiből vett handabanda. Pedig az időkristály létezik, és nagyon is komoly: egy Nobel-díjas fizikus évekkel ezelőtt megsejtette, sokan lehetetlennek ítélték, viszont amerikai kutatók most megvalósították.

A sószemcsék, a hópelyhek és a gyémántok mind kristályok, amelyeknek alkotó atomjai periodikus, szabályosan ismétlődő elrendeződést mutatnak a háromdimenziós térben.

A Nature folyóirat legfrissebb számában két amerikai kutatócsoport most egy sokkal különlegesebb tünemény létrehozásáról ad hírt: az időkristálynak nevezett, újfajta anyagi minőség alkotórészei nemcsak a térben ismétlődő módon rendeződnek el, hanem emellett az időben ismétlődő mozgást is végeznek. A Marylandi Egyetemen, illetve a Harvard Egyetemen dolgozó két csapat egy hónap eltéréssel, különböző fajta atomokból kiindulva valósította meg a sokak által korábban lehetetlennek bélyegzett anyagállapotot.

Az időkristálynak nevezett újfajta anyagi minőség alkotórészei nemcsak a térben ismétlődő módon rendeződnek el, hanem emellett az időben ismétlődő mozgást is végeznek (Illusztráció) Forrás: AzDude/Pixabay

Forradalmi megvalósítás

Az időkristályban az atomok sosem érik el az úgynevezett termodinamikai egyensúly állapotát, amikor a hőenergia egyenletesen oszlik meg közöttük. Az újonnan megalkotott időkristályok ezzel az első tényleges példái a nemegyensúlyi fázisokként leírt, mindeddig csak elképzelt anyagi rendszereknek, amelyeknek a létét megjósolták ugyan, de a valóságban létrehozni korábban nem sikerült őket. A fizikusok ezért most úgy érzik magukat, mint egy ismeretlen földrészre vetődött utazó, aki izgatottan veti bele magát a sosem látott tájak felfedezésébe.

Az időkristály a nemegyensúlyi fázisok egész új birodalma felé nyit kaput

– lelkendezik Andrew Potter, a Texasi Egyetem (Austin, USA) fizikusa. – Fogtuk azokat az elméleti elképzeléseket, amelyek egy pár éve már keringenek a levegőben, és nekiláttunk, hogy a laboratóriumban megalkossuk magát a dolgot. Remélhetőleg ez csak első a sorban, és egy sereg további fogja követni.” A nemegyensúlyi fázisok némelyike hasznosnak bizonyulhat majd a kvantumszámítógépek működési egységeként, adattárolási vagy adattovábbítási szerepkörben.

Potter tagja annak a csoportnak, amely a Marylandi Egyetem kutatóinak vezetésével sikeresen megalkotta az első, az itterbium nevű elem ionjaiból álló időkristályt. Pont megfelelő nagyságú elektromos mező alkalmazásával a kutatók 10 itterbiumiont tartottak lebegésben, majd szabályos időközönként adott lézerimpulzusok segítségével periodikusan ismétlődő mozgásmintázatot kényszerítettek a részecskékre. Potter felhívta a figyelmet arra az érdekességre, hogy az ionok feleolyan gyakran ugranak, mint a lézerimpulzusok periódusideje.

Ez kicsit olyan, mintha valaki másodpercenként kétszer ütne le egy zongorabillentyűt, de csak másodpercenként egyszer szólalna meg a hang.

A tudósok előre megjósolták ezt a fura kvantumviselkedést, ami megerősítette őket abban a meggyőződésükben, hogy valódi időkristállyal van dolguk.

Először sikerült időkristályt létrehozni (illusztráció) Forrás: E. Edwards/JQI

2012 óta foglalkoztak a problémával

Az időkristály gondolata először a Massachusetts Institute of Technologyn dolgozó Frank Wilczek Nobel-díjas fizikus fejében körvonalazódott. 2012-ben épp a kristályokról tartott egy kurzust hallgatóknak, amikor feltette magának a kérdést, hogy vajon létre lehetne-e hozni olyan anyagi fázist, amelyben az atomok ismétlődése nemcsak a térben, hanem időben is szabályszerű. Fizikai zsargonnal szólva a hagyományos térkristályok „megtörik a térbeli eltolás szimmetriáját”, mert bennük az atomok – a gázoktól vagy a folyadékoktól eltérően – nem egyenletesen töltik ki a teret, hanem merev mintázatba rendeződnek. Wilczek felvetette:

nem létezhet-e olyan kristály, amely az időbeli eltolással szembeni szimmetriát töri meg?

„[Egy ilyen kristályban] az atomok mozognak az idő függvényében, de periodikusan, és nem folytonos módon. Érdekes elképzelés volt” – magyarázza Shivaji Sondhi, a Princetoni Egyetem fizikaprofesszora Wilczek felvetését, amely annak idején élénk vitát váltott ki szakmai berkekben; Patrick Bruno, a grenoble-i Európai Szinkrotron szakembere például egy egész sorozatnyi cikket tett közzé, amelyekben cáfolta az időkristály megvalósíthatóságát. Sondhi egyike volt azoknak a fizikusoknak, akik Wilczek ötletének realitása mellett érveltek, és – a kaliforniai Berkeley-n dolgozó Xiang Zhang elképzelésének felhasználásával – kidolgozták az időkristály létrehozásának konkrét részleteit, miszerint a sajátos anyagi fázis ionok forgó gyűrűje formában ölthetne testet.

Időkristály zöld fénnyel megvilágítva Forrás: Georg Kucsko \ Nature

Sondhi egy teljesen más problémán dolgozva jutott el az időkristályok elméletéhez. Ő PhD-hallgatójával, Vedika Khemanival együtt azt a kérdést feszegette, hogy

az atomok és molekulák miként jutnak el a termodinamikai egyensúly állapotába, miközben a különböző anyagi fázisokat – szilárd, folyékony és gáz halmazállapotot – megvalósítják.

Fizikuskörökben sokáig az volt az általánosan elfogadott nézet, hogy idővel végül minden rendszer egyensúlyba jut, de a nagyon alacsony hőmérsékletek kvantumfizikájának behatóbb megismerése aláásta ezt a közmegegyezést. Kiderült, hogy léteznek rendszerek, amelyek az úgynevezett soktest-lokalizáció miatt sosem kerülnek hőmérsékleti egyensúlyba. A jelenség oka – állítják a fizikusok – abban a módban keresendő, ahogy egy rendezetlen kvantumrendszert alkotó nagyszámú atom egymással kölcsönhatásba lép.

Sondhi és Khemani felismerték, hogy bár egy egyensúlyi rendszer csakugyan nem alkothat időkristályt, nemegyensúlyi rendszerben lehetséges Wilczek víziójának megvalósítása. Ők jósolták meg azt is, hogy ha periodikus lézerimpulzusokkal bökdösnek egy ilyen nemegyensúlyi rendszert, annak atomjai a periódusidő kétszeresével fognak mozogni. Khemani doktori tanulmányainak befejezése után a Harvard Egyetemen helyezkedett el, ahol most tagja annak a Mikhail Lukin vezette kutatócsoportnak, amely a marylandi csapattól csupán egy hónappal lemaradva létrehozta a második – az ő esetükben szintetikus gyémántból álló – időkristályt.

Mindkét kutatócsoport a Nature e heti számában tudósít eredményeiről.