Sentiasa bergerak tanpa menghabiskan tenaga
Selama beberapa bulan, terdapat perbincangan bahawa para penyelidik berjaya membuat kristal masa - kristal pelik yang struktur atomnya berulang bukan hanya di ruang angkasa, tetapi juga dalam masa, yang bermaksud bahawa mereka sentiasa bergerak tanpa menghabiskan tenaga.
Sekarang ia telah disahkan secara rasmi: Penyelidik baru-baru ini mendedahkan secara terperinci bagaimana membuat dan mengukur kristal aneh ini. Dan dua kumpulan saintis bebas mendakwa bahawa mereka benar-benar berjaya membuat kristal masa di makmal, menggunakan arahan yang diberikan, dengan itu mengesahkan adanya jenis bahan yang sama sekali baru.
Penemuan ini mungkin kelihatan abstrak sepenuhnya, tetapi merupakan awal era baru dalam bidang fizik, kerana selama beberapa dekad kita hanya mempelajari perkara, yang menurut definisi adalah 'dalam keseimbangan': logam dan penebat.
Tetapi ada cadangan mengenai keberadaan di Alam Semesta dari berbagai jenis perkara aneh yang tidak dalam keseimbangan dan yang bahkan belum kita mulai belajar, termasuk kristal waktu. Kita sekarang tahu bahawa ini bukan fiksyen.
Fakta bahawa sekarang kita mempunyai contoh pertama perkara 'non-keseimbangan' boleh menyebabkan terobosan dalam pemahaman kita tentang dunia di sekitar kita, serta teknologi seperti pengkomputeran kuantum.
Ini adalah perkara baru, tempoh. Tetapi sangat keren bahawa ini adalah salah satu contoh perkara 'tidak seimbang',”kata penyelidik utama Norman Yao dari University of California, Berkeley.
“Sepanjang separuh kedua abad yang lalu, kami telah mengkaji masalah dalam keseimbangan, seperti logam dan penebat. Dan baru sekarang kita melangkah ke wilayah masalah 'bukan keseimbangan'."
Video promosi:
Tetapi mari kita berhenti sebentar dan melihat kembali, konsep kristal masa sudah wujud selama beberapa tahun.
Mereka pertama kali diramalkan oleh ahli teori fizik pemenang Nobel Frank Wilczek pada tahun 2012. Kristal masa adalah struktur yang kelihatannya bergerak walaupun pada tahap tenaga yang paling sedikit yang dikenali sebagai keadaan tanah atau keadaan rehat.
Biasanya, jika jirim berada dalam keadaan tanah, juga dikenali sebagai keadaan sifar tenaga sistem, ini bermaksud bahawa pergerakan secara teorinya mustahil, kerana memerlukan tenaga.
Tetapi Wilczek berpendapat bahawa ini tidak berlaku untuk kristal masa.
Dalam kristal biasa, kisi atom diulang di angkasa, sama seperti kisi karbon berlian. Tetapi, seperti batu rubi atau zamrud, mereka tidak bergerak kerana mereka berada dalam keseimbangan dalam keadaan asasnya.
Dan dalam kristal masa, strukturnya juga diulang mengikut masa, bukan hanya di ruang angkasa. Oleh itu, mereka bergerak dalam keadaan asas.
Bayangkan jeli. Sekiranya anda mencucuknya dengan jari, ia akan mula bergetar. Perkara yang sama berlaku dalam kristal masa, tetapi perbezaan besar adalah bahawa mereka tidak memerlukan tenaga untuk bergerak.
Kristal masa adalah seperti jeli yang selalu bergetar dalam keadaan biasa, dan inilah yang menjadikannya jenis jirim baru - jirim 'nonequilibrium'. Yang tidak boleh duduk diam.
Tetapi adalah satu perkara untuk meramalkan kewujudan kristal seperti itu, dan lain-lain untuk benar-benar membuatnya, itulah yang berlaku dalam penyelidikan terbaru.
Yao dan pasukannya membuat gambarajah terperinci di mana mereka menerangkan secara terperinci bagaimana membuat dan mengukur ciri-ciri kristal masa, dan bahkan meramalkan fasa-fasa yang berlainan yang berkaitan dengan kristal masa, dengan kata lain, mereka menggambarkan kesamaan keadaan pepejal, cair dan gas dari jenis jirim yang baru.
Yao menyebut artikel yang diterbitkan dalam Physical Review Letters "jambatan antara idea teori dan pelaksanaan eksperimental."
Dan ini sama sekali bukan spekulasi. Mengikuti arahan Yao, dua kumpulan bebas - satu dari University of Maryland dan yang lain dari Harvard - berjaya mencipta kristal masa mereka sendiri.
Hasil kedua kajian diumumkan pada akhir tahun lalu di arXiv.org (di sini dan di sini), dan dihantar ke jurnal yang disemak rakan sebaya untuk diterbitkan. Yao mengarang bersama kedua-dua artikel tersebut.
Sementara kami menunggu penerbitan, kami tetap ragu-ragu mengenai pernyataan tersebut. Tetapi hakikat bahawa dua kumpulan bebas berjaya membuat kristal masa menggunakan skema yang sama dalam keadaan yang sama sekali berbeza menjanjikan.
Di University of Maryland, kristal masa dibuat dari rantai ion 10 ytterbium, semuanya dengan putaran elektron yang terjerat.
Kunci untuk mengubah asas ini menjadi kristal masa adalah memastikan ion tidak seimbang, dan untuk melakukan ini, mereka dipukul secara bergantian dari dua laser. Satu laser mencipta medan magnet, laser kedua sebahagiannya melepaskan putaran atom.
Oleh kerana putaran atom pada awalnya terjerat, mereka segera memasuki corak putaran putaran yang stabil dan berulang yang menentukan kristal.
Ini adalah perkara biasa, tetapi untuk menjadi kristal masa, sistem harus memecahkan simetri pada waktunya. Semasa memerhatikan rantai atom ytterbium, para penyelidik melihat sesuatu yang tidak biasa.
Dua laser, atom ytterbium menyerang secara berkala, menyebabkan pengulangan dalam sistem dengan tempoh dua kali tempoh 'kejutan', yang sebenarnya tidak dapat terjadi dalam sistem normal.
"Bukankah sangat aneh jika anda mencucuk jeli dan mendapati ia bertindak balas terhadapnya dengan jangka masa yang berbeza?" - menerangkan Yao.
"Tetapi ini adalah sifat kristal masa. Anda mempunyai sejenis patogen dengan tempoh T, tetapi sistemnya entah bagaimana diselaraskan, dan anda memerhatikan pergerakannya dengan tempoh melebihi T."
Bergantung pada medan magnet dan denyutan laser, kristal masa kemudian dapat mengubah fasa, seperti kubus lebur.
Crystal dari Harvard berbeza. Para penyelidik membuatnya menggunakan pusat kekosongan nitrogen padat di berlian, tetapi mereka menghasilkan hasil yang sama.
"Hasil serupa dari dua sistem yang sangat berbeza ini mengesahkan bahawa kristal waktu adalah bentuk perkara yang meluas, dan bukan beberapa ciri ingin tahu yang hanya diperhatikan dalam sistem khas yang kecil," jelas Phil Rifermey dari Indiana University dalam kajian yang menyertainya. nota kerja, dia tidak mengambil bahagian dalam kajian itu, tetapi mengulas artikel tersebut.
"Pengamatan kristal tunggal masa ini … mengesahkan bahawa pecahan simetri dapat terjadi di semua bidang alam, dan ini membuka bidang baru untuk penyelidikan."
Gambar rajah Yao diterbitkan dalam Physical Review Letters, dan anda boleh membaca makalah Harvard mengenai kristal masa di sini, dan makalah University of Maryland di sini.
