Normale kristallen, houdt van diamant, zijn een atoomrooster dat zich herhaalt in de ruimte, maar natuurkundigen stelden onlangs voor om materialen te maken die zich in de tijd herhalen. Vorig jaar, Norman Yao van UC Berkeley schetste de fasen rond een tijdkristal en wat te meten om te bevestigen dat dit nieuwe materiaal eigenlijk een stabiele fase van materie is. Dit stimuleerde twee teams om een ​​tijdkristal te bouwen, de eerste voorbeelden van een niet-evenwichtsvorm van materie.

Voor de meeste mensen, kristallen betekenen diamanten bling, halfedelstenen of misschien de gekartelde amethist of kwartskristallen die geliefd zijn bij verzamelaars.

Aan Norman Yao, deze inerte kristallen zijn het topje van de ijsberg.

Als kristallen een atomaire structuur hebben die zich herhaalt in de ruimte, als het koolstofrooster van een diamant, waarom kunnen kristallen niet ook een structuur hebben die zich in de tijd herhaalt? Dat is, een tijdkristal?

In een paper die vorige week online is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , de Universiteit van Californië, Berkeley-assistent-professor natuurkunde beschrijft precies hoe je de eigenschappen van zo'n kristal kunt maken en meten, en voorspelt zelfs wat de verschillende fasen rond het tijdkristal zouden moeten zijn - vergelijkbaar met de vloeibare en gasfasen van ijs.

Dit is niet louter speculatie. Twee groepen volgden Yao's blauwdruk en hebben al de allereerste tijdkristallen gemaakt. De groepen van de University of Maryland en Harvard University rapporteerden hun successen, met behulp van twee totaal verschillende opstellingen, in kranten die vorig jaar online zijn geplaatst, en hebben de resultaten voor publicatie ingediend. Yao is co-auteur van beide artikelen.

Tijdkristallen herhalen zich in de tijd omdat ze periodiek worden geschopt, zoiets als herhaaldelijk op Jell-O tikken om het te laten schudden, zei Yao. De grote doorbraak, hij betoogt, is minder dat deze specifieke kristallen zich in de tijd herhalen dan dat ze de eerste zijn van een grote klasse van nieuwe materialen die intrinsiek niet in evenwicht zijn, niet in staat om tot rust te komen in het roerloze evenwicht van, bijvoorbeeld, een diamant of robijn.

"Dit is een nieuwe fase van de materie, punt uit, maar het is ook echt cool omdat het een van de eerste voorbeelden is van niet-evenwichtsmaterie, " zei Yao. "De afgelopen halve eeuw, we hebben evenwichtsmaterie onderzocht, zoals metalen en isolatoren. We beginnen nu net een heel nieuw landschap van niet-evenwichtige materie te verkennen."

Hoewel het moeilijk is voor Yao om zich een gebruik voor een tijdkristal voor te stellen, andere voorgestelde fasen van niet-evenwichtsmaterie zijn theoretisch veelbelovend als bijna perfecte herinneringen en kunnen nuttig zijn in kwantumcomputers.

Een ytterbiumketen

Het tijdkristal gemaakt door Chris Monroe en zijn collega's aan de Universiteit van Maryland maakt gebruik van een conga-lijn van 10 ytterbium-ionen waarvan de elektronenspins interageren, vergelijkbaar met de qubit-systemen die worden getest als kwantumcomputers. Om de ionen uit evenwicht te houden, de onderzoekers raakten ze afwisselend met één laser om een ​​effectief magnetisch veld te creëren en een tweede laser om de spins van de atomen gedeeltelijk om te draaien, de reeks vele malen herhalen. Omdat de spins interactie hadden, de atomen vestigden zich in een stal, repetitief patroon van spin-flipping dat een kristal definieert.

Tijdkristallen werden voor het eerst voorgesteld in 2012 door Nobelprijswinnaar Frank Wilczek, en vorig jaar hebben theoretische natuurkundigen van Princeton University en UC Santa Barbara's Station Q onafhankelijk van elkaar bewezen dat zo'n kristal kon worden gemaakt. Volgens Yao, de UC Berkeley-groep was "de brug tussen het theoretische idee en de experimentele implementatie."

Vanuit het perspectief van de kwantummechanica, elektronen kunnen kristallen vormen die niet overeenkomen met de onderliggende ruimtelijke translatiesymmetrie van de ordelijke, driedimensionale reeks atomen, zei Yao. Dit doorbreekt de symmetrie van het materiaal en leidt tot unieke en stabiele eigenschappen die we definiëren als een kristal.

Een tijdkristal doorbreekt de tijdsymmetrie. In dit specifieke geval, het magnetische veld en de laser die periodiek de ytterbiumatomen aandrijven, produceren een herhaling in het systeem met tweemaal de periode van de drivers, iets dat in een normaal systeem niet zou voorkomen.

"Zou het niet super raar zijn als je de Jell-O schudde en ontdekte dat hij op een of andere manier in een andere periode reageerde?" zei Yao. "Maar dat is de essentie van het tijdkristal. Je hebt een periodieke driver met een periode 'T', maar het systeem synchroniseert op de een of andere manier, zodat je het systeem ziet oscilleren met een periode die groter is dan 'T'."

Yao werkte nauw samen met Monroe terwijl zijn team in Maryland het nieuwe materiaal maakte, hen te helpen zich te concentreren op de belangrijke eigenschappen om te meten om te bevestigen dat het materiaal in feite een stabiel of rigide tijdkristal was. Yao beschreef ook hoe het tijdkristal van fase zou veranderen, als een ijsblokje dat smelt, onder verschillende magnetische velden en laserpulsen.

Het Harvard-team, onder leiding van Michail Lukin, zette zijn tijdkristal op met dicht opeengepakte stikstof-leegstandscentra in diamanten.

"Zulke vergelijkbare resultaten bereikt in twee enorm verschillende systemen onderstrepen dat tijdkristallen een brede nieuwe fase van materie zijn, niet alleen een curiositeit die is gedegradeerd tot kleine of eng specifieke systemen, " schreef Phil Richerme, van de Universiteit van Indiana, in een perspectiefstuk bij het artikel gepubliceerd in Physical Review Letters. "Observatie van het discrete tijdkristal... bevestigt dat symmetriebreking kan optreden in vrijwel alle natuurlijke rijken, en maakt de weg vrij voor een aantal nieuwe wegen van onderzoek."

Yao zet zijn eigen werk aan tijdkristallen voort terwijl hij de theorie achter andere nieuwe, maar nog niet gerealiseerde niet-evenwichtsmaterialen onderzoekt.