Výskumníkom sa podarilo predĺžiť životnosť časových kryštálov, čím sa potvrdil teoretický koncept, ktorý navrhol Frank Wilczek. To predstavuje dôležitý krok vpred v kvantovej fyzike.

Tímu z TU Dortmund University sa nedávno podarilo vyrobiť extrémne odolný časový kryštál, ktorý žije miliónkrát dlhšie, než sa dalo ukázať v predchádzajúcich experimentoch. Potvrdili tým veľmi zaujímavý fenomén, ktorý pred približne desiatimi rokmi postuloval nositeľ Nobelovej ceny Frank Wilczek a ktorý sa už dostal aj do sci-fi filmov. Výsledky sú teraz zverejnené v r Fyzika prírody.

Priekopnícky úspech vo výskume časových kryštálov

Kryštály alebo presnejšie kryštály vo vesmíre sú periodické usporiadania atómov na veľkých dĺžkových mierkach. Toto usporiadanie dáva kryštálom ich vynikajúci vzhľad s hladkými fazetami ako v drahých kameňoch.

Keďže fyzika často zaobchádza s priestorom a časom na rovnakej úrovni, napríklad v špeciálnej teórii relativity, Frank Wilczek, fyzik z Massachusettského technologického inštitútu (MIT) a nositeľ Nobelovej ceny za fyziku, v roku 2012 vyslovil hypotézu, že okrem toho pre kryštály vo vesmíre , v čase musia byť aj kryštály. Aby to tak bolo, jedna z jeho fyzikálnych vlastností sa podľa neho musí začať spontánne periodicky meniť v priebehu času, aj keď systém nezaznamenáva podobné periodické rušenie.

Čo sa podobá plameňu, je meranie nového časového kryštálu: každý bod zodpovedá experimentálnej hodnote, čo vedie k rôznym pohľadom na periodickú dynamiku polarizácie jadrového spinu časového kryštálu. Zdroj obrázkov: Alex Grealish/TU Dortmund

Pochopenie časových kryštálov

O možnosti existencie takýchto časových kryštálov sa vedú kontroverzné vedecké debaty už niekoľko rokov – rýchlo sa však dostali do kín: napríklad časový kryštál hral ústrednú úlohu vo filme Marvel Studios Avengers: Endgame (2019). Od roku 2017 sa vedcom už pri niekoľkých príležitostiach podarilo demonštrovať možný časový kryštál.

Dr. Alex Grealish pracuje v Centre pre výskum kondenzovaných látok na Katedre fyziky TU Dortmund. Poďakovanie: TU Dortmund

Tieto systémy však – na rozdiel od Wilczekovej pôvodnej myšlienky – boli podrobené časovému budeniu so špecifickou periodicitou, no potom reagovali s ďalšou periódou dvakrát tak dlhou. Kryštál, ktorý sa s časom chová periodicky, aj keď je excitácia časovo nezávislá, teda konštantná, bol demonštrovaný až v roku 2022 v Bose-Einsteinovom kondenzátore. Kryštál však žil len niekoľko milisekúnd.

Skok v čase krištáľová dlhovekosť

Dortmundskí fyzici pod vedením Dr. Alexa Grelicha teraz navrhli špeciálny kryštál vyrobený z arzenidu india gália, v ktorom jadrové spiny fungujú ako rezervoár pre časový kryštál. Kryštál je nepretržite osvetľovaný, takže polarizácia jadrového spinu vzniká interakciou s elektrónovým spinom. Je to práve táto jadrová spinová polarizácia, ktorá spontánne generuje oscilácie, ekvivalent časového kryštálu.

Momentálny stav experimentov je taký, že kryštál má životnosť minimálne 40 minút, čo je 10 miliónov krát viac, ako sa doteraz dokázalo, a pravdepodobne bude žiť oveľa dlhšie.

Je možné meniť dobu kryštalizácie vo veľkých mierkach systematickou zmenou experimentálnych podmienok. Je však možné prejsť aj do oblastí, kde sa kryštál „topí“, teda stráca svoju periodicitu. Tieto regióny sú tiež zaujímavé, pretože potom vzniká chaotické správanie, ktoré sa môže udržiavať po dlhú dobu. Je to prvýkrát, čo vedci dokázali použiť teoretické nástroje na analýzu chaotického správania takýchto systémov.

Odkaz: „Silný kontinuálny časový kryštál v systéme jadrového elektrónového spinu“ od A. Greilicha, NE Kopteva, AN Kamenskiiho, PS Sokolova, VL Koreneva a M. Bayera, 24. januára 2024, Fyzika prírody.
doi: 10.1038/s41567-023-02351-6