Учените откриха нова форма на материята – Времеви кристали

В продължение на месеци се спекулира, че учените най-накрая са успели да създадат Времевите кристали – странни кристали с атомна структура, която не се повтаря само в пространството, но и във времето, поставяйки ги с постоянна честота на вибрация, но без изразходване на енергия. 

Вече има официални данни, че учените са успели на създадат и измерят времеви кристали. Два независими екипа от учени твърдят, че са създали подобни кристали в лабораторни условия. Това откритие доказва наличието на една изцяло нова фаза на материята.

Откритието може да ви звучи доста абстрактно, но е начало на една нова ера във физиката. От десетилетия изучаваме т.н. „равновесна материята“, като например метали и диелектрици.

От години се спекулираше, че във Вселената има още много странни видове материя, която не е равновесна и досега е оставала скрита за нас, включително времевите кристали. Сега вече има доказателства, че те са истински и съществуват.

Фактът, че сега имаме първи пример за неравновесна материя може да доведе до пробив в разбирането ни за света около нас. Това ще бъде и началото на нови технологии като квантовите компютри.

„Това е нова фаза на материята и е един от първите примери за неравновесно вещество“ - споделя Норман Яо, един от водещите изследователи в този проект - „За последния половин век ние проучихме детайлно равновесната материя, като метали и диелектрици. Сега обаче започваме да изследваме един изцяло нов свят на неравновесната материя.“

Нека се върнем малко назад са секунда, защото концепцията за времеви кристали се обсъжда от години в научните среди.

Първи за тях открито започва да говори нобеловия лауреат по теоретична физика от 2012 г. - Франк Вилчек. Според него времевите кристали са структури, които се движат дори по време на най-ниското си енергийно състояние, известно като базово състояние.

Обикновено, когато един материал е в базово състояние, известно още като система с нулева енергия, движението би трябвало да е теоретически невъзможно, защото изисква енергия. Според Вилчек обаче, не така стоят нещата при времевите кристали.

Обикновените кристали имат атомна структура, която се повтаря в пространството, например въглеродната решетка на диаманта. Те обаче са неподвижни, защото са материя в равновесие, която се намира в базово състояние.

Времевите кристали имат структура, която се повтаря не само в пространството, но и във времето, която продължава да се движи и вибрира дори в базово състояние.

Представете си го като желе, когато го докоснете то се разклаща многократно. Същото нещо се случва и с времевите кристали, но голямата разлика тук е, че движението се случва без никаква енергия.

Времевия кристал е като постоянно вибриращо желе, дори когато се намира в своето естествено, основно състояние. Това прави времевите кристали неравновесна материя. Те просто са неспособни да бъдат неподвижни в покой.

Едно е теоретичната обосновка за наличието на такива кристали, съвсем друго е да ги създадете. Точно това е големия пробив в най-новите научни изследвания.
Норман Яо и неговия екип вече имат подробен план, който описва как точно да се измерят свойствата на времевите кристали. Те дори предсказват различните фази около времевите кристали. Това означава, че те са определили нов еквивалент на твърдата, течна и газова фаза на материята. Това е една изцяло нова фаза на материята.

Норман Яо публикува своите научни открития в статия озаглавена: „На моста между теоретичната идея и експерименталното въвеждане.“

Въз основа на откритията на Норман Яо два независими екипа – един от университета в Мериленд и един от Харвард следват инструкциите, за да създадат свои собствени времеви кристали.

Двете разработки бяха обявени в края на 2016 г. и са предоставени за публикуване в научни списания. Норман Яо е съавтор и на двете статии.

Все още статиите не са публикувани, затова трябва да запазим известна доза скептицизъм, но факта, че два отделни научни екипа използват едни и същ проект в опита си да направят подобни кристали е доста обещаващ.

В университета в Мериленд времевите кристали са били създадени от 10 йони итебрий, разположени под формата на пръстен, върху подложка в охладен капан. Ключът към превръщането във времеви кристал бе да се запазят йоните в равновесие. За да направят това учените последователно ги третирали с два лазера. Единия лазер създал магнитно поле, а другия лазер частично раздвижил атомните спинове.

Атомните спинове са преплетени, поради което трептенето на един атомен спин се предава на следващия и т.н по веригата.

За да се образува един времеви кристал обаче трябва да се прекъсне времевата симетрия. Наблюдавайки спиновете на атомите итебрий учените забелязват нещо странно. Двата лазера, които периодично побутвали атомите итебрий създали осцилация, чиято честота е пряко свързана с честотата на смущението причинено от лазера.

„Няма ли да е странно, ако например разклатите желе и по някакъв начин то реагира, след определен период от време.“ - споделя Норман Яо - „Това е същността на времевите кристали. Има нещо, което да кажем се случва през определен период от време равен на „Т“. Получава се обаче определено ниво на синхронизация, при която се наблюдават колебания в системата за период от време, който е по-голям от „Т“.“

Под влиянието на различни магнитни полета и лазерни пулсации, времевите кристали променят своите фази, точно както се топи едно кубче лед.

Времевия кристал на екипа от Харвард е по-различен. Изследователите го създали като се възползвали от определени дефекти в кристалната решетка на диаманта.

„Проучванията в областта на времевите кристали потвърждава факта, че симетрията в кристалните решетки може да бъде нарушена. Това може да се случи не само при кристалите, а на практика във всички природни царства и открива много нови и неизследвани пътища за развитие.“ - споделя Фил Ричъм от университета в Индиана, който бил част от научния проект.