„Cristalul timpului” creat în laborator

Poate suna ca o ficțiune științifico-fantastică, dar nu este așa: oamenii de știință au creat pentru prima dată un cristal, folosind un lanț de ioni. Așa cum un cristal standard se repetă într-un model spațial obișnuit, un cristal de timp se repetă în timp, revenind la o configurație similară la intervale regulate.

„Acesta este un experiment remarcabil”, spune fizicianul Chetan Nayak de la Microsoft Station Q de la Universitatea din California, Santa Barbara. „Există un „factor wow”.”

Oamenii de știință de la Universitatea din Maryland și de la Universitatea din California, Berkeley au creat un lanț de 10 ioni de iterbiu. Acești ioni se comportă ca niște particule cu spin, un fel de versiune mecanică cuantică a momentului unghiular, care poate îndrepta fie în sus, fie în jos. Folosind un laser, fizicienii au răsturnat rotațiile într-un lanț de ioni la jumătate, de sus în jos, și au permis ionilor să interacționeze, astfel încât spin-ul fiecărui ion să-i influențeze pe ceilalți. Cercetătorii au repetat această secvență la intervale regulate, răsturnând ionii la jumătatea distanței de fiecare dată și lăsându-i să interacționeze. Când oamenii de știință au măsurat rotirea ionilor, în medie, ionii au făcut cerc complet, revenind la stările lor originale, în intervalul de timp de două ori mai mare decât în ​​care au fost răsturnați la jumătate.

Acest comportament este sensibil – dacă fiecare întoarcere întoarce ceva la jumătate, este nevoie de două răsturnări pentru a reveni la poziția inițială. Dar oamenii de știință au descoperit că învârtirile ionilor ar reveni la orientarea lor inițială în aceeași rată, chiar dacă nu ar fi răsturnați perfect la jumătate. Acest rezultat indică faptul că sistemul de ioni preferă să răspundă la o anumită perioadă regulată – semnul distinctiv al unui cristal de timp – la fel cum atomii dintr-un cristal preferă o rețea perfect distanțată. Astfel de cristale de timp sunt „unul dintre primele exemple ale unei noi faze a materiei”, spune fizicianul Norman Yao de la UC Berkeley, un coautor al noului rezultat, postat online pe 27 septembrie pe arXiv.org.

Cristalele de timp preiau un concept unificator important în fizică – ideea ruperii simetriei – și îl extind în timp. Legile fizice tratează de obicei toate punctele din spațiu în mod egal – nicio locație nu este diferită de alta. Într-un lichid, de exemplu, atomii sunt la fel de probabil să se găsească în orice punct al spațiului. Aceasta este o simetrie continuă, deoarece condițiile sunt aceleași în orice punct de-a lungul continuumului spațial. Dacă lichidul se solidifică într-un cristal, acea simetrie este întreruptă: atomii se găsesc numai în anumite poziții distanțate în mod regulat, cu goluri între ele. De asemenea, dacă rotiți un cristal, la un nivel microscopic, acesta ar arăta diferit din unghiuri diferite, dar lichidul va arăta la fel, indiferent dacă este rotit. În fizică, astfel de simetrii rupte stau la baza subiectelor care variază de la magneți la supraconductori și până la mecanismul Higgs, care îmbunătățește particulele elementare cu masă și dă naștere bosonului Higgs.

În 2012, fizicianul teoretician Frank Wilczek de la MIT a propus că ruperea simetriei în timp ar putea produce cristale de timp (SN: 24.03.12, str. 8). Dar lucrările ulterioare au indicat că cristalele de timp nu ar putea apărea într-un sistem aflat într-o stare de echilibru, care este stabilit într-o configurație stabilă. În schimb, fizicienii au realizat că sistemele conduse, care sunt perturbate periodic de o forță externă – cum ar fi laserul care răsturnează ionii – ar putea crea astfel de cristale. „Exemplele originale au fost fie greșite, fie prea simple”, spune Wilczek. „Este mult mai interesant.”

Spre deosebire de simetria continuă care se întrerupe în trecerea de la un cristal lichid la un cristal solid, în sistemele conduse pe care oamenii de știință le-au folosit pentru a crea cristale de timp, simetria este discretă, apărând la intervale de timp corespunzătoare timpului dintre perturbații. Dacă sistemul se repetă la un interval de timp mai lung decât cel în care este condus – așa cum o face cristalul de timp al oamenilor de știință – acea simetrie este ruptă.

Cristalele de timp sunt prea noi pentru ca oamenii de știință să se ocupe de potențialele lor aplicații practice. „Este ca un copil, nu știi ce va fi mare”, spune Wilczek. Dar, spune el, „Nu cred că am auzit de departe ultimele lucruri.”

Probabil că există sisteme înrudite încă de descoperit, spune Nayak. „Doar că zgâriem suprafața tipului de fenomene uimitoare – cum ar fi cristalele de timp – pe care le putem avea în sisteme cuantice neechilibrate. Așa că cred că este prima fereastră către o arena cu totul nouă pe care o putem explora.”

Nota editorului: Frank Wilczek este membru al Consiliului de administrație al Societății pentru Știință și Public, care publică Știri Științe.