Ständig unterwegs ohne Energieverbrauch
Seit einigen Monaten ist die Rede davon, dass es Forschern gelungen ist, Zeitkristalle zu erzeugen - seltsame Kristalle, deren Atomstruktur sich nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit wiederholt, was bedeutet, dass sie sich ohne Energieaufwand ständig bewegen.
Jetzt wurde es offiziell bestätigt: Forscher haben erst kürzlich detailliert enthüllt, wie diese seltsamen Kristalle erzeugt und gemessen werden können. Und zwei unabhängige Gruppen von Wissenschaftlern behaupten, dass es ihnen tatsächlich gelungen ist, Zeitkristalle im Labor unter Verwendung der bereitgestellten Anweisungen zu erzeugen, wodurch die Existenz einer völlig neuen Art von Materie bestätigt wird.
Die Entdeckung mag völlig abstrakt erscheinen, läutet aber den Beginn einer neuen Ära in der Physik ein, denn wir haben viele Jahrzehnte lang nur Materie untersucht, die per Definition „im Gleichgewicht“war: Metalle und Isolatoren.
Es gab jedoch Vorschläge zur Existenz einer Vielzahl seltsamer Arten von Materie im Universum, die sich nicht im Gleichgewicht befinden und die wir noch nicht einmal untersucht haben, einschließlich Zeitkristallen. Wir wissen jetzt, dass dies keine Fiktion ist.
Die Tatsache, dass wir jetzt das erste Beispiel für Materie ohne Gleichgewicht haben, könnte zu einem Durchbruch in unserem Verständnis der Welt um uns herum sowie von Technologien wie Quantencomputern führen.
„Dies ist eine neue Art von Angelegenheit, Punkt. Es ist aber auch cool, dass dies einer der ersten Fälle von Nichtgleichgewichtsmaterie ist “, sagt der leitende Forscher Norman Yao von der University of California in Berkeley.
„In der gesamten zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts haben wir Materie im Gleichgewicht wie Metalle und Isolatoren untersucht. Und erst jetzt sind wir in das Gebiet der 'Nichtgleichgewichts'-Materie eingetreten."
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Aber lassen Sie uns innehalten und zurückblicken, das Konzept der Zeitkristalle gibt es schon seit mehreren Jahren.
Sie wurden erstmals 2012 vom Nobelpreisträger-Physiktheoretiker Frank Wilczek vorhergesagt. Zeitkristalle sind Strukturen, die selbst bei der geringsten Energie, die als Grundzustand oder Ruhezustand bekannt ist, in Bewegung zu sein scheinen.
Wenn sich Materie im Grundzustand befindet, der auch als Nullenergiezustand des Systems bezeichnet wird, bedeutet dies normalerweise, dass Bewegung theoretisch unmöglich ist, da sie Energie benötigt.
Wilczek argumentierte jedoch, dass dies nicht für die Kristalle der Zeit gilt.
In gewöhnlichen Kristallen wiederholt sich das Atomgitter im Raum, genau wie das Kohlenstoffgitter von Diamant. Aber wie ein Rubin oder ein Smaragd bewegen sie sich nicht, weil sie sich in ihrem Grundzustand im Gleichgewicht befinden.
Und in Zeitkristallen wiederholt sich die Struktur auch zeitlich, nicht nur räumlich. Und deshalb sind sie im Grundzustand in Bewegung.
Stellen Sie sich Gelee vor. Wenn Sie es mit Ihrem Finger stoßen, beginnt es zu vibrieren. Das gleiche passiert in Kristallen der Zeit, aber der große Unterschied ist, dass sie keine Energie benötigen, um sich zu bewegen.
Ein Zeitkristall ist wie ein ständig vibrierendes Gelee in seinem üblichen Grundzustand, und dies macht ihn zu einer neuen Art von Materie - "Nichtgleichgewichts" -Materie. Was einfach nicht still sitzen kann.
Aber es ist eine Sache, die Existenz solcher Kristalle vorherzusagen, und eine ganz andere, sie tatsächlich zu erzeugen, wie es in den neuesten Forschungen geschehen ist.
Yao und sein Team erstellten ein detailliertes Diagramm, in dem sie detailliert beschrieben, wie die Eigenschaften eines Zeitkristalls erzeugt und gemessen werden können, und sogar vorhersagen, wie die verschiedenen Phasen eines Zeitkristalls aussehen sollten. Mit anderen Worten, sie beschrieben die Äquivalente fester, flüssiger und gasförmiger Zustände eines neuen Materietyps.
Yao nannte den in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel "eine Brücke zwischen theoretischer Idee und experimenteller Umsetzung".
Und das ist überhaupt keine Spekulation. Auf Yaos Anweisung gelang es zwei unabhängigen Gruppen - einer von der University of Maryland und einer von Harvard -, ihre eigenen Zeitkristalle zu erzeugen.
Die Ergebnisse beider Studien wurden Ende letzten Jahres auf arXiv.org (hier und hier) bekannt gegeben und zur Veröffentlichung an von Experten begutachtete Fachzeitschriften gesendet. Yao war Co-Autor beider Artikel.
Während wir auf Veröffentlichungen warten, lohnt es sich, skeptisch gegenüber den Aussagen zu bleiben. Die Tatsache, dass es zwei unabhängigen Gruppen gelungen ist, Zeitkristalle mit demselben Schema unter völlig unterschiedlichen Bedingungen zu erzeugen, klingt vielversprechend.
An der University of Maryland wurden Zeitkristalle aus einer Kette von 10 Ytterbiumionen mit verschränkten Elektronenspins erzeugt.
Der Schlüssel, um diese Base in einen Kristall der Zeit zu verwandeln, bestand darin, die Ionen im Ungleichgewicht zu halten, und dazu wurden sie wiederum von zwei Lasern getroffen. Ein Laser erzeugte ein Magnetfeld, der zweite Laser rollte die Spins der Atome teilweise ab.
Da die Spins der Atome anfänglich verwickelt waren, traten sie bald in das stabile, sich wiederholende Spin-Rotationsmuster ein, das den Kristall definiert.
Dies war normal, aber um ein Kristall der Zeit zu werden, musste das System die Symmetrie zeitlich aufbrechen. Bei der Beobachtung der Kette der Ytterbiumatome stellten die Forscher etwas Ungewöhnliches fest.
Zwei Laser, die periodisch auf die Ytterbiumatome treffen, verursachten eine Wiederholung im System mit einer Periode, die doppelt so lang ist wie die Periode der "Schocks", was genau das war, was in einem normalen System nicht auftreten konnte.
"Wäre es nicht sehr seltsam, wenn Sie Gelee stupsen und feststellen würden, dass es mit unterschiedlichen Zeiträumen darauf reagiert?" - erklärt Yao.
„Aber das ist die Natur des Zeitkristalls. Sie haben eine Art Krankheitserreger mit einer Periode von T, aber das System ist irgendwie synchronisiert, und Sie beobachten seine Bewegung mit einer Periode von mehr als T."
Abhängig vom Magnetfeld und der Pulsation des Lasers könnte der Zeitkristall dann seine Phase wie ein Schmelzwürfel ändern.
Crystal aus Harvard war anders. Die Forscher schufen es unter Verwendung dichter Stickstoffleerstellen im Diamanten, kamen jedoch zu dem gleichen Ergebnis.
„Diese ähnlichen Ergebnisse aus zwei sehr unterschiedlichen Systemen bestätigen, dass Zeitkristalle eine weit verbreitete Form von Materie sind und kein merkwürdiges Merkmal, das nur in einem kleinen, speziellen System beobachtet wird“, erklärt Phil Rifermey von der Indiana University in einer verwandten Studie. Arbeitsnotiz, er nahm nicht an der Studie teil, sondern überprüfte den Artikel.
"Die Beobachtung dieses Einkristalls der Zeit … bestätigt, dass Symmetriebrechungen in allen Bereichen der Natur auftreten können, und dies eröffnet neue Bereiche für die Forschung."
Yaos Diagramm wurde in Physical Review Letters veröffentlicht, und Sie können hier ein Harvard-Papier über Zeitkristalle und hier ein Papier der University of Maryland lesen.
