Berkeley-laboratorieforsøgere foreslår en måde at bygge den første rumtidskrystall på.
Billedkredit: Lawrence Berkeley National Laboratory.
Forestil dig et ur, der holder perfekt tid for evigt, selv efter universets varmedød. Dette er "wow" -faktoren bag en enhed kendt som en "rumtidskrystall", en firedimensionel krystal, der har periodisk struktur i tid såvel som rum. Der er imidlertid også praktiske og vigtige videnskabelige grunde til at konstruere en rumtidskrystall. Med en sådan 4D-krystal ville forskere have et nyt og mere effektivt middel til at undersøge, hvordan komplekse fysiske egenskaber og adfærd fremgår af de kollektive interaktioner mellem et stort antal individuelle partikler, det såkaldte fysik med mange legemer. En rumtidskrystall kunne også bruges til at studere fænomener i kvanteverdenen, såsom forvikling, hvor en handling på en partikel påvirker en anden partikel, selvom de to partikler adskilles med store afstande.
En rumtidskrystall har imidlertid kun eksisteret som et koncept i sindet af teoretiske videnskabsmænd uden nogen seriøs idé om, hvordan man rent faktisk opbygger en - indtil nu. Et internationalt team af forskere ledet af forskere med det amerikanske energiministerium (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har foreslået det eksperimentelle design af en rumtidskrystall baseret på en elektrisk feltfælde og Coulomb-frastødelse af partikler, der bærer den samme elektriske ladning.
”Det elektriske felt i ionfælden holder opladede partikler på plads, og Coulomb-frastødelse får dem til spontant at danne en rumlig ringkrystall,” siger Xiang Zhang, en fakultetsforsker med Berkeley Labs Materials Sciences Division, der ledede denne forskning. ”Under anvendelse af et svagt statisk magnetfelt vil denne ringformede ionkrystall begynde en rotation, der aldrig vil stoppe. Den vedvarende rotation af fangede ioner producerer tidsmæssig orden, hvilket fører til dannelse af en rumtidskrystall ved den laveste kvanteenergitilstand. ”
Fordi rumtidskrystallen allerede er i sin laveste kvanteenergitilstand, vil dens tidsmæssige orden - eller tidtagning - teoretisk vedvare, selv efter at resten af vores univers når entropi, termodynamisk ligevægt eller "varmedød."
Zhang, der besidder Ernest S. Kuh uddelt formand, professor i maskinteknik ved University of California (UC) Berkeley, hvor han også leder Nano-skala Science and Engineering Center, er den tilsvarende forfatter af et papir, der beskriver dette arbejde i fysisk Gennemgå breve (PRL). Papiret har titlen ”Rumtidskrystaller af fangede ioner.” Medforfatter til dette papir var Tongcang Li, Zhe-Xuan Gong, Zhang-Qi Yin, Haitao Quan, Xiaobo Yin, Peng Zhang og Luming Duan.
Begrebet en krystal, der har diskret orden i tide, blev foreslået tidligere i år af Frank Wilczek, den Nobelprisvindende fysiker ved Massachusetts Institute of Technology. Mens Wilczek matematisk beviste, at en tidskrystall kan eksistere, var det uklart, hvordan man fysisk kunne realisere en sådan tidskrystall. Zhang og hans gruppe, der har arbejdet med spørgsmål med tidsmæssig orden i et andet system siden september 2011, har fundet et eksperimentelt design til at opbygge en krystal, der er diskret både i rum og tid - en rum-tid krystal. Papirer på begge disse forslag vises i samme nummer af PRL (24. september 2012).
Traditionelle krystaller er faste 3D-strukturer, der består af atomer eller molekyler bundet sammen i et ordentligt og gentagende mønster. Almindelige eksempler er is, salt og snefnug. Krystallisation finder sted, når varme fjernes fra et molekylært system, indtil det når sin lavere energitilstand. Ved et vist punkt med lavere energi bryder kontinuerlig rumlig symmetri sammen, og krystallen antager diskret symmetri, hvilket betyder, at i stedet for at strukturen er den samme i alle retninger, er den den samme i kun få retninger.
”Der er gjort store fremskridt i løbet af de sidste par årtier med at udforske den spændende fysik i lavdimensionelle krystallinske materialer som todimensionel grafen, endimensionel nanorør og nul-dimensionelle buckyballs,” siger Tongcang Li, hovedforfatter af PRL papir og et post-doc i Zhangs forskningsgruppe. "Ideen om at skabe en krystal med dimensioner højere end konventionelle 3D-krystaller er et vigtigt konceptuelt gennembrud i fysik, og det er meget spændende for os at være den første til at udtænke en måde at realisere en rumtidskrystall på."
Denne foreslåede rumtidskrystall viser (a) periodiske strukturer i både rum og tid med (b) ultrakaldte ioner, der roterer i en retning, selv i den laveste energitilstand. Billedkredit: Xiang Zhang-gruppe.
Ligesom en 3D-krystal er konfigureret ved den laveste kvanteenergitilstand, når kontinuerlig rumlig symmetri brydes i diskret symmetri, forventes også symmetribrud at konfigurere den tidsmæssige komponent af rumtidskrystallen. Under den plan, der er udtænkt af Zhang og Li og deres kolleger, vil en rumlig ring af fangede ioner i vedvarende rotation med jævne mellemrum gengive sig i tiden og danne en tidsmæssig analog af en almindelig rumlig krystal. Med en periodisk struktur i både rum og tid er resultatet en rumtidskrystall.
”Mens en rumtidskrystall ligner en evig bevægelsesmaskine og kan virke upålidelig ved første øjekast,” siger Li, ”husk, at en superleder eller endda en normal metalring kan understøtte vedvarende elektronstrømme i sin kvante jordtilstand under rette betingelser. Naturligvis mangler elektroner i metal rumlig rækkefølge og kan derfor ikke bruges til at fremstille en rumtidskrystall. ”
Li er hurtig til at påpege, at deres foreslåede rumtidskrystall ikke er en evig bevægelsesmaskine, fordi der ikke er nogen energiudgang, da den er i den laveste kvanteenergitilstand. Der er imidlertid mange videnskabelige undersøgelser, som en rumtidskrystall ville være uvurderlig.
”Rumtidskrystallen ville være et system med mange krop i sig selv,” siger Li. ”Som sådan kan det give os en ny måde at udforske klassiske fysikspørgsmål om mange kropsspørgsmål på. Hvordan vises for eksempel en rumtidskrystall? Hvordan brydes tidsoversættelsessymmetri? Hvad er de kvasi-partikler i rum-tid krystaller? Hvilke virkninger har defekter på rumtidskrystaller? At studere sådanne spørgsmål vil markant forbedre vores forståelse af naturen. ”
Peng Zhang, en anden medforfatter og medlem af Zhangs forskningsgruppe, bemærker, at en rumtidskrystall også kan bruges til at gemme og overføre kvanteoplysninger på tværs af forskellige rotationstilstande i både rum og tid. Rumtidskrystaller kan også finde analoger i andre fysiske systemer ud over fangede ioner.
”Disse analoger kunne åbne døre til grundlæggende nye teknologier og enheder til forskellige applikationer,” siger han.
Xiang Zhang mener, at det måske endda er muligt nu at fremstille en rumtidskrystall ved hjælp af deres skema og de nyeste ionfælder. Han og hans gruppe søger aktivt samarbejdspartnere med de rette ionfangstfaciliteter og ekspertise.
”Den største udfordring vil være at køle en ionring til dens jordtilstand,” siger Xiang Zhang. ”Dette kan overvindes i den nærmeste fremtid med udviklingen af ionfældeteknologier. Da der aldrig før har været en rumtidskrystall, vil de fleste af dens egenskaber være ukendte, og vi bliver nødt til at studere dem. Sådanne undersøgelser burde uddybe vores forståelse af faseovergange og symmetribrud. ”
Via Lawrence Berkeley National Laboratory
Læs originalen her.