Нова форма на материята – времеви кристали

От месеци се спекулира, че учените най-накрая са създали времеви кристали – странни структури, които имат кристална решетка, повтаряща се не само в пространството, но и във времето, като по този начин се създава „вечно движение“ без внасяне на енергия, или така познатото от латински – Perpetuum Мobile.

Учените в детайли обясняват как са създали и измерили тези странни кристали. Два независими екипа твърдят, че успешно са създали времеви кристали в лаборатория, потвърждавайки съществуването на изцяло нова форма на материята. Откритието може да изглежда абстрактно, но поставя началото на нова ера във физиката.

От десетилетия изучаваме материята в състояние на термодинамично равновесие, но изглежда това е само едната страна на монетата. Отдавна се предполага, че съществуват много други различни състояния на материята във Вселената, които не са равновесни. Но сега, за първи път, наблюдаваме подобно нещо в лаборатория, което е огромен напредък в разбирането ни за света около нас.

Още през 2012 година Нобеловият лауреат Франк Вилцек описва времевите кристали като структури, които изглежда извършват движение, дори и при най-ниската си енергийна точка – енергия на базовото състояние, познато още като zero point energy. Според познатите закони на термодинамиката и класическата механика, когато един материал е в базово състояние, движението без внасяне на енергия или първоначален импулс е невъзможно. Но това съвсем не важи за времевите кристали.

Нормалните кристали имат атомна структура, която се повтаря в пространството – както структурата на въглеродния атом в диаманта. Но диамантът е неподвижен, тъй като е в стабилно равновесие в базовата си енергийна точка. Това може да се онагледи с желатин – когато го побутнем, започва да се тресе. Същото се случва и с всички кристали, но разликата при времевите кристали е, че те започват да вибрират без да сме ги докосвали, без нуждата от енергия, а това ги класифицира като нова форма на материята.

Според Норман Яо от университета Бъркли в Калифорния, е възможно да се предвидят различните фази на времевия кристал. Следвайки инструкциите му, два независими екипа възпроизведат времеви кристали – от университета в Мериленд и Харвард. В Мериленд използват поредица от 10 йони итербий, с преплетени спинове на електроните. Ключовият момент за създаването на времеви кристал е поддържането на йоните извън състоянието на равновесие, като за целта учените си помагат с лазери. (За създаване на фини електромагнитни полета, с които въздействат на електроните и атомите).

Благодарение на квантово заплетените електрони и под въздействието на лазерите, атомите се установяват в стабилно състояние с повтарящи се структури. За получаване на времеви кристал, системата трябва да разчупи времевата симетрия. Както знаем, квантово заплетените частици поддържат връзките си извън времето и пространството. Наблюдавайки поредицата от атоми, учените забелязват нещо странно. Двата лазера, които „побутват“ атомите итербий, създават вибрация в системата с период два пъти по-голям от пулсациите на лазерите – нещо, което не би трябвало да се случи.

„Това е същността на времевия кристал. Имаме трептене с определен период, но системата по някакъв начин се синхронизира и се наблюдава трептене с период, в пъти по-голям от първоначалния.“ – обяснява Яо.

Под влияние на различни магнитни полета и лазерни пулсации, времевият кристал би променил фазата си. При опитите, проведени в Харвард, учените използват азотни атоми в диамант – напълно различен подход, но със съвсем същите резултати.

„Наблюдението на времеви кристал потвърждава, че разрушаването на симетрията в материята може да се случи на практика навсякъде, и то по естествен начин, и открива път към няколко нови и напълно различни подхода на изследвания във физиката.“

Всичко това звучи странно, и за класическата физика – е странно! До преди няколко години тази идея беше научна фантастика и повод за множество конспирации и етикети „псевдонаука“. Такъв беше случаят и с невъзможния EmDrive, който изглежда заобикаля основният закон на термодинамиката. Но през последните няколко години ставаме свидетели на промяна на статуквото в научните среди. Особен принос има квантовата механика, която въпреки странностите си, работи, и започва все по-често да намира практическо приложение. а това може да означава само едно – интересното тепърва предстои.