Pidevalt liikvel ilma energiat kulutamata
Juba mitu kuud on räägitud, et teadlastel on õnnestunud luua ajakristalle - kummalisi kristalle, mille aatomistruktuur kordub mitte ainult ruumis, vaid ka ajas, mis tähendab, et nad liiguvad pidevalt ilma energiakulu kasutamata.
Nüüd on see ametlikult kinnitatud: teadlased avastasid alles hiljuti üksikasjalikult, kuidas neid kummalisi kristalle luua ja mõõta. Ja kaks sõltumatut teadlaste rühma väidavad, et neil õnnestus kaasasolevaid juhiseid kasutades laboris ajakristalle luua, kinnitades sellega täiesti uut tüüpi aine olemasolu.
Avastus võib tunduda täiesti abstraktne, kuid see kuulutab füüsikas uue ajastu algust, sest paljude aastakümnete jooksul oleme uurinud ainult ainet, mis määratluse järgi oli tasakaalus: metalle ja isolaatoreid.
Kuid universumis eksisteeris spekulatsioone mitmesuguste imelike tüüpide, sealhulgas ajakristallide olemasolu kohta, mis pole tasakaalus ja mida me pole isegi veel uurima hakanud. Nüüd teame, et see pole väljamõeldis.
Juba tõsiasi, et meil on nüüd esimene näide tasakaalustamatuse kohta, võib viia läbimurdeeni ümbritseva maailma, aga ka selliste tehnoloogiate nagu kvantarvutus mõistmisel.
„See on uut tüüpi asi, periood. Kuid lahe on ka see, et see on üks ebaühtlase olukorra juhtumitest,”ütles Berkeley California ülikooli juhtivteadur Norman Yao.
„Eelmise sajandi terve teise poole jooksul oleme uurinud tasakaalus olevaid aineid, näiteks metalle ja isolaatoreid. Ja alles nüüd oleme astunud "tasakaalustamata" aine territooriumile."
Reklaamvideo:
Kuid peatagem ja vaatame tagasi, ajakristallide kontseptsioon on olnud juba mitu aastat.
Neid ennustas esmakordselt Nobeli preemia laureaadi füüsikateoreetik Frank Wilczek 2012. aastal. Ajakristallid on struktuurid, mis näivad olevat liikunud isegi väikseimal energiatasandil, mida nimetatakse põhiseisundiks või puhkeseisundiks.
Tavaliselt tähendab see, et kui mateeria on põhiseisundis, mida nimetatakse ka süsteemi nullenergia olekuks, see, et liikumine on teoreetiliselt võimatu, kuna see nõuab energiat.
Kuid Wilczek väitis, et see ei kehti ajakristallide kohta.
Tavalistes kristallides korratakse aatomivõre kosmoses täpselt nagu teemandi süsinikvõre. Kuid nagu rubiin või smaragd, nad ei liigu, kuna nad on oma põhiseisundis tasakaalus.
Ja ajakristallides kordub struktuur ka ajas, mitte ainult ruumis. Ja seetõttu on nad põhiseisundis liikvel.
Kujutage ette tarretist. Kui seda sõrmega näppida, hakkab see vibreerima. Sama asi juhtub ajakristallidega, kuid suur erinevus on see, et nad ei vaja liikumiseks energiat.
Ajakristall on nagu pidevalt vibreeriv tarretis oma tavapärases põhilises olekus ja just see teeb temast uut tüüpi ainet - „tasakaalustamatut” ainet. Mis lihtsalt ei saa paigal istuda.
Kuid selliste kristallide olemasolu ennustamine on üks asi ja nende loomine tegelikult teine asi, mis juhtus ka viimastes uuringutes.
Yao ja tema meeskond lõid üksikasjaliku diagrammi, milles nad kirjeldasid üksikasjalikult, kuidas luua ja mõõta ajakristalli karakteristikuid, ja isegi ennustada, millised peaksid olema ajakristalli ümbritsevad erinevad faasid, ehk teisisõnu kirjeldasid nad uut tüüpi aine tahke, vedela ja gaasilise oleku ekvivalente.
Yao nimetas ajakirjas Physical Review Letters avaldatud artiklit "sillaks teoreetilise idee ja eksperimentaalse rakendamise vahel".
Ja see pole üldse spekulatsioon. Yao juhiseid järgides õnnestus kahel sõltumatul rühmal - üks Marylandi ülikoolist ja teine Harvardist - luua oma ajakristallid.
Mõlema uuringu tulemused tehti teatavaks eelmise aasta lõpus saidil arXiv.org (siin ja siin) ning saadeti eelretsenseeritud ajakirjadesse avaldamiseks. Yao on mõlemad artiklid kaasautoriks.
Kuni ootame trükiseid, tasub avalduste suhtes skeptiline olla. Kuid tõsiasi, et kahel iseseisval rühmal õnnestus luua ajakristalle, kasutades sama skeemi täiesti erinevates tingimustes, kõlab paljulubavana.
Marylandi ülikoolis loodi ajakristallid 10 ytterbiumiiooni ahelast, mis kõik olid takerdunud elektronide spinnidega.
Selle aluse ajakristalliks muutmise võti oli ioonide tasakaalustamatuses hoidmine ja selleks löödi neid omakorda kahest laserist. Üks laser lõi magnetvälja, teine laskis aatomite keerutused osaliselt lahti.
Kuna aatomite spinnid olid algul takerdunud, sisenesid nad peagi stabiilsesse korduvasse keerdu pöörlemismustrisse, mis määratleb kristalli.
See oli normaalne, kuid selleks, et saada ajakristalliks, pidi süsteem sümmeetria õigeaegselt purustama. Ytterbiumi aatomite ahelat jälgides märkasid teadlased midagi ebaharilikku.
Kaks laserit, mis löövad perioodiliselt ytterbiumi aatomeid, põhjustasid süsteemis korduse, mis on kaks korda pikem kui "löökide" periood, mis oli täpselt see, mida normaalses süsteemis ei saanud esineda.
"Kas poleks väga imelik, kui te torgiksite tarretist ja leiaksite, et see reageerib sellele erinevate ajavahemikega?" - selgitab Yao.
“Kuid see on ajakristalli olemus. Teil on mingi patogeen, mille periood on T, kuid süsteem on kuidagi sünkroniseeritud ja jälgite selle liikumist perioodiga, mis ületab T."
Sõltuvalt magnetväljast ja laseri pulsatsioonist võib ajakristall muuta oma faasi nagu sulav kuup.
Crystal Harvardist oli erinev. Teadlased lõid selle teemandis asuvate tihedate lämmastikuvabade keskuste abil, kuid nad tulid sama tulemusega.
"Need kahe väga erineva süsteemi sarnased tulemused kinnitavad, et ajakristallid on laialt levinud ainevorm ja mitte mingi uudishimulik omadus, mida täheldatakse ainult väikeses spetsiaalses süsteemis," selgitab Philna Rifermey Indiana ülikoolist kaasnevas uuringus. töö märkus, ta uuringus ei osalenud, kuid vaatas artikli läbi.
"Selle ühe ajakristalli vaatlus … kinnitab, et sümmeetria purunemine võib toimuda kõigis looduse piirkondades ja see avab uusi valdkondi uurimiseks."
Yao diagramm avaldati väljaandes Physical Review Letters. Siit saate lugeda Harvardi ajakristallide artiklit ja Marylandi ülikooli artiklit siit.
