Finnországi fizikusok a legújabb tudósok, akik időkristályokat hoztak létre, az anyag egy új fázisát, amely igazán furcsa tulajdonságokkal rendelkezik: csak apró atomi léptékben és rendkívül alacsony hőmérsékleten létezik, ugyanakkor úgy tűnik, hogy megkérdőjelezi a természet számos alapvető törvényét.
A hatás csak kvantummechanikai körülmények között figyelhető meg (az atomok és részecskéik kölcsönhatása ilyen), és bármilyen kísérlet arra, hogy munkát vonjunk ki egy ilyen rendszerből, tönkreteszi azt. A kutatás azonban még többet elárul a kvantumvilág - az univerzum legkisebb léptéke, amely végső soron minden mást befolyásol - ellentmondásos természetéről.
Az időkristályoknak még nincs gyakorlati hasznuk, és egyáltalán nem hasonlítanak a természetes kristályokra. Valójában egyáltalán nem hasonlítanak semmire. Ehelyett az "időkristály" elnevezés - amelyre bármelyik marketingvezető büszke lenne - inkább a kvantumállapotok rendszeres időbeli változását írja le, mintsem a fizikai térben elfoglalt szabályos alakjukat, mint a jég, a kvarc vagy a gyémánt.
Egyes tudósok szerint az időkristályok egy napon a kvantumszámítógépek memóriájává válhatnak. Az ilyen munkák közvetlenebb célja azonban az, hogy többet tudjunk meg a kvantummechanikáról - mondta Samuli Autti fizikus, az egyesült királyságbeli Lancaster Egyetem oktatója és kutatója.
És ahogyan a modern világ a tranzisztorok belsejében lévő kvantummechanikai hatásokra támaszkodik, úgy van rá esély, hogy ezek az új kvantumos kísérletek egy nap hasznosnak bizonyulhatnak.
"Talán az időkristályok végül az okostelefonunkban is működtetni fognak néhány kvantumfunkciót" - mondta Autti.
Autti a vezető szerzője a Nature Communications című folyóiratban múlt hónapban megjelent tanulmánynak, amely leírta két egyedi időkristály létrehozását egy héliummintán belül, valamint mágneses kölcsönhatásaikat, amint azok alakjukat változtatták.
Hogyan jönnek létre az időkristályok?
A helsinki Aalto Egyetem alacsony hőmérsékletű fizikai kísérletekkel foglalkozó laboratóriumában dolgozó kollégáival egy üvegcsőben lévő héliumgázzal kezdték, majd lézerrel és más laboratóriumi berendezésekkel az abszolút nulla fok fölé, mindössze egy tízezred fokkal (körülbelül mínusz 459,67 Fahrenheit-fok) hűtötték le.
A kutatók ezután a héliummintájukat speciális módon rádióhullámokkal vizsgálták, hogy ne zavarják meg a törékeny kvantumállapotokat, és megfigyelték, hogy a héliummagok egy része két alacsony energiájú szint között oszcillál - ami arra utal, hogy idővel "kristályt" alkottak.
Ilyen rendkívül alacsony hőmérsékleten az anyagnak nincs elég energiája ahhoz, hogy normálisan viselkedjen, ezért kvantummechanikai hatások dominálnak. Például a héliumnak - amely mínusz 452,2 Fahrenheit alatti hőmérsékleten folyadék - ebben az állapotban nincs viszkozitása vagy "vastagsága", így a tartályokból felfelé áramlik, mint úgynevezett "szuperfolyékony".
Az időkristályok tanulmányozása a kvantumfizika kutatásának része, ami gyorsan zavarba ejtővé válhat. Kvantumszinten egy részecske egyszerre több helyen is lehet, vagy alkothat egy "qubitet" - a digitális információ egyetlen bitjének kvantumos analógiáját, amely azonban egyszerre két különböző értéket is jelenthet. A kvantumrészecskék összefonódhatnak és teleportálhatnak is. A fizikusok még mindig csak most próbálják kitalálni, hogyan működhet mindez.
Az időkristályok a kvantumfizika számos furcsasága közé tartoznak. A normál kristályokban, mint például a jég, a kvarc vagy a gyémánt, az atomok egy bizonyos fizikai pozícióban helyezkednek el - ez egy apró hatás, amely nagyobb léptékben jellegzetes, szabályos alakjukat eredményezi.
Az időkristályban lévő részecskék azonban két különböző alacsony energiájú állapotban léteznek, attól függően, hogy éppen mikor nézzük őket - vagyis az időben elfoglalt helyzetüktől függően. Ez egy örökké tartó szabályos oszcillációt eredményez, egyfajta örökmozgást.
Az ilyen örökmozgás azonban csak az ideális időkristályokban létezik igazán örökké, amelyeket nem rögzítettek egyik vagy másik állapotba, és mivel az Aalto Egyetem kísérleteiben használt időkristályok nem voltak ideálisak, csak néhány percig tartott ez, mielőtt "megolvadtak" és elkezdtek normálisan viselkedni, mondta Autti.
Ugyanez a korlátozás azt jelenti, hogy az örökmozgást nem lehet kihasználni: Egy időkristály egyszerűen megállna - szétmállana -, ha megpróbálnának fizikai munkát kivonni belőle, mondta.
Kis örökmozgók
Az időkristályokat először 2012-ben javasolta Frank Wilczek amerikai elméleti fizikus, aki 2004-ben fizikai Nobel-díjat kapott a szubatomi erős kölcsönhatással kapcsolatos munkájáért, amely a kvarkokat az atommagok protonjaiban és neutronjaiban tartja - ez az univerzum egyik alapvető ereje. Először 2016-ban mutatták ki őket a Marylandi Egyetemen a ritkaföldfém ytterbium ionjaival végzett kísérletek során.
Időkristályokat azóta csak néhány alkalommal készítettek, mivel létrehozásuk rendkívül nehéz. Az Aalto Egyetem kísérletei azonban arra utalnak, hogy miként lehet őket könnyebben és hosszabb ideig előállítani. Ez volt egyben az első alkalom, hogy két időkristályból bármilyen rendszert alkottak.
Achilleas Lazarides fizikus, az angliai Loughborough Egyetem oktatója elméleti kutatásokat végzett az időkristályokkal kapcsolatban, amelyek segítettek abban, hogy a Google technológiai óriáscég által üzemeltetett speciális kvantumszámítógépben működő kvantumszimulációt hozzanak létre róluk.
Lazarides, aki nem vett részt a legújabb tanulmányban, kifejtette, hogy a kristályok időbeli örökmozgása a termodinamika törvényeinek határán megy végbe, amelyeket a 19. században az energiamegmaradásról szóló korábbi elképzelésekből fejlesztettek ki.
Általában azt mondják, hogy egy rendszer teljes működési energiája csak csökkenhet, ami azt jelenti, hogy az örökmozgás lehetetlen - ezt évszázadok kísérletei igazolták.
Az időkristályokban az atommagok alacsony energiájú állapotainak kvantumos változásai azonban nem hoznak létre és nem is használnak fel energiát, így egy ilyen rendszer teljes energiája soha nem nő - ez egy speciális eset, amelyet a termodinamika törvényei megengednek, mondta.
Lazarides elismerte, hogy az időkristályokkal végzett jelenlegi kísérletek messze vannak bármilyen gyakorlati alkalmazástól, bármi is legyen az, de a lehetőség, hogy többet tudhatunk meg a kvantummechanikáról, felbecsülhetetlen értékű.
Az időkristályok "olyasvalami, ami valójában nem létezik a természetben" - mondta. "Amennyire tudjuk, mi hoztuk létre az anyagnak ezt a fázisát. Hogy lesz-e belőle valami, azt nehéz megmondani".
