V kovnici imamo, kaj je kristal. V šoli smo se naučili, da si ti materiali, od zrn sladkorja do diamantov, delijo homogeno in urejeno razporeditev svojih atomov, ki tvorijo vzorec, ki se ponavlja po vesolju in daje njihove lepe in pravilne oblike. Med predavanjem na Tehnološkem inštitutu v Massachusettsu (MIT), kjer je profesor Frank Wilczek, Nobelov nagrajenec za fiziko, imel idejo: kaj pa, če bi obstajali nekateri 'časovni kristali', katerih struktura, namesto da bi se ponavljala v prostoru, se ponavlja v času?
Ta "eksotična" hipoteza, ki je bila postavljena leta 2012, je v znanstveni skupnosti že leta sprožila močno razpravo. Če je mogoče, mora biti ta vrsta kristala sposobna ohraniti svojo stabilnost, a hkrati tudi občasno spreminjati svojo kristalno strukturo; Odločeno je, da če jih opazujemo ob različnih časih, zaznamo, da njihova struktura (v prostoru) ni vedno enaka, saj je v stanju večnega gibanja, tudi v stanju minimalne energije ali osnovnem stanju.
Vse to neposredno spodkopava zakone termodinamike. In ti kristali ne bi bili niti trdni niti tekoči niti plinasti. Niti plazma -ioniziran plin-. To bi bilo drugačno stanje snovi.
Po hudih razpravah, v katerih je bil Wilczek označen za skoraj norega, je ekipa leta 2016 končno uspela pokazati, da je teoretično mogoče ustvariti časovne kristale, podvig, ki je bil dosežen le leto pozneje. Od takrat je to področje fizike postalo zelo obetavno področje, ki bi lahko spremenilo vse, od kvantne tehnologije do telekomunikacij, preko rudarjenja ali samega razumevanja vesolja.
Vendar pa obstaja težava: ti kristali se pojavijo le v zelo posebnih pogojih. Konkretno so znanstveniki uporabili kondenzate kvazidelcev magnonov Bose-Einstein, stanje snovi, ki nastane, ko se delci, imenovani bozoni, ohladijo na skoraj absolutno nič (-273,15 stopinj Celzija ali -460 stopinj Fahrenheita). To zahteva zelo sofisticirano opremo in seveda ne more zapustiti laboratorijev in vakuumskih komor, saj interakcija z zunanjim okoljem onemogoča njeno ustvarjanje.
Do zdaj. Skupini s kalifornijske univerze Riverside je uspelo ustvariti optične časovne kristale, ki jih je mogoče ustvariti pri sobni temperaturi, kot je razloženo v študiji v reviji Nature Communications. Za to je bil vzet majhen mikroresonator - disk iz magnezijevega fluoridnega stekla s premerom le enega milimetra, ki je ob sprejemu valov določenih frekvenc vstopil v resonanco. Nato so ta optični mikroresonator bombardirali z žarki dveh laserjev.
Subharmonični vrhovi
Subharmonične konice (solitoni) oziroma frekvenčni toni med dvema laserskima žarkoma, ki kažejo na kršenje časovne simetrije in tako nastanejo časovni kristali. Sistem ustvari vrtljivo rešetkasto past za optične solitone, v kateri se nato prikaže njihova periodičnost ali struktura v času.
Da bi ohranili celovitost sistema pri sobni temperaturi, bo ekipa uporabila blok avtoinjektorja, tehniko, ki zagotavlja, da slani laser ohranja določeno optično frekvenco. To pomeni, da je sistem mogoče vzeti iz laboratorija in uporabiti za terenske aplikacije, zlasti za merjenje časa, integracijo v kvantne računalnike ali preučevanje samega stanja.
"Ko ima vaš eksperimentalni sistem izmenjavo energije z okolico, disipacija in hrup delujeta z roko v roki, da uničita časovni red," pravi Hossein Taheri, Marlan in Rosemary Bourns, profesor elektrotehnike in računalništva na UC Riverside in glavni avtor študije. "Na naši fotonski platformi sistem vzpostavi ravnovesje med dobičkom in izgubo, da ustvari in ohrani časovne kristale."
