211service.com
Natuurkundigen maken 's werelds eerste keer kristal
Kristallen zijn bijzondere objecten, niet in de laatste plaats vanwege hun symmetrie. Kristallen vormen zich herhalende patronen die in sommige richtingen hetzelfde zijn, maar niet in alle richtingen. Dat is een verrassing, aangezien de wetten van de fysica, die hun vorming bepalen, in alle richtingen hetzelfde zijn.
Dat de wetten van de natuurkunde ruimtelijk symmetrisch zijn, maar kristallen niet, is een fenomeen dat bekend staat als symmetriebreking. Het ontstaat niet door energie toe te voegen aan een systeem, maar door het weg te nemen. Kristallen zijn inderdaad een manifestatie van systemen in hun laagste energietoestand.
Maar de wetten van de fysica zijn niet alleen symmetrisch in ruimte maar ook in tijd. En dat roept de interessante vraag op of het mogelijk is om temporele symmetrie op dezelfde manier te doorbreken. Met andere woorden, is het mogelijk om tijdkristallen te creëren?
Vandaag krijgen we een antwoord dankzij het werk van Chris Monroe aan de Universiteit van Maryland in College Park en een paar vrienden, die voor het eerst een tijdkristal in hun laboratorium hebben gemaakt.
Het basisproces voor het maken van tijdkristallen is eenvoudig. Het idee is om een kwantumsysteem te creëren, zoals een groep ionen die in een ring zijn gerangschikt, en deze af te koelen totdat ze in hun laagste energietoestand zijn. In deze omstandigheden zouden de wetten van de fysica suggereren dat de ring perfect stationair zou moeten zijn.
Maar als de tijdsymmetrie werd verbroken, dan zou de ring periodiek in de tijd kunnen variëren. Met andere woorden, het zou roteren. Het zou natuurlijk nooit mogelijk zijn om energie uit deze beweging te halen - dat zou in strijd zijn met het behoud van energie. Maar de temporele symmetrie-breking zou zich manifesteren in deze zich herhalende beweging in de tijd, net zoals ruimtelijke symmetrie-breking zich manifesteert als herhalende patronen in de ruimte.
Dat is de theorie, maar in de echte wereld zijn de dingen niet zo eenvoudig. Het grootste probleem is dat de kwantumwereld niet wordt bepaald door tijdafhankelijke variabelen, dus tijdsymmetrie kan op deze schaal niet worden verbroken. Dus onder normale omstandigheden zou het afkoelen van een ring van ionen tot hun laagste energietoestand ze stationair laten.
Maar er zijn omstandigheden waarin kwantumsystemen in de loop van de tijd evolueren. Munro en co hebben zich gericht op deze: kwantumsystemen die niet in evenwicht zijn. Hun kwantumsysteem is een lijn van ytterbium-ionen met spins die met elkaar interageren.
Die interactie leidt tot een bijzonder soort gedrag. Een van de vreemde kenmerken van kwantumdeeltjes is dat ze meestal niet op specifieke locaties voorkomen. In plaats daarvan worden ze uitgesmeerd in de ruimte met de kans dat ze ergens verschijnen, gereguleerd door de wetten van waarschijnlijkheid.
Maar in sommige omstandigheden kan dit veranderen. Een enkel elektron in een materiaal kan bijvoorbeeld met zichzelf interfereren op een manier die het dwingt om op een enkele locatie te verschijnen. Dit staat bekend als Anderson-lokalisatie, naar de natuurkundige die het in de jaren vijftig voorspelde.
Meer recentelijk hebben natuurkundigen groepen kwantumdeeltjes onderzocht die met elkaar interageren op een manier die ervoor zorgt dat ze allemaal gelokaliseerd worden. Deze zogenaamde lokalisatie van vele lichamen is een delicate toestand die de kwantumdeeltjes in een toestand buiten evenwicht houdt. Met andere woorden, het dwingt hen om gelokaliseerd te worden. En dat is precies hoe deze keten van ytterbium-ionen zich gedraagt.
Een van de belangrijkste eigenschappen van deze ionen is hun magnetisatie of spin, die met een laser omhoog of omlaag kan worden gedraaid. Het omdraaien van de spin van het ene ion zorgt ervoor dat het volgende omdraait, enzovoort. Deze spin-interacties oscilleren vervolgens met een snelheid die afhangt van hoe regelmatig de laser de oorspronkelijke spin omdraait. Met andere woorden, de aandrijffrequentie bepaalt de trillingssnelheid.
Maar toen Monroe en co dit maten, vonden ze een ander effect. Deze jongens ontdekten dat nadat ze het systeem hadden laten evolueren, de interacties plaatsvonden met een snelheid die twee keer zo snel was als de oorspronkelijke periode. Aangezien er geen drijvende kracht is met die periode, is de enige verklaring dat de tijdsymmetrie moet zijn doorbroken, waardoor deze langere periodes mogelijk zijn. Met andere woorden, Monroe en co hadden een tijdkristal gecreëerd.
Het team ging verder met het meten van enkele eigenschappen van deze kristallen. Ze ontdekten bijvoorbeeld dat het veranderen van de aandrijffrequentie de frequentie van het tijdkristal niet veranderde. Dit vertegenwoordigt de 'stijfheid' van het discrete tijdkristal, zeggen ze.
En ze ontdekten dat andere verstoringen uiteindelijk het tijdkristal konden vernietigen. Wanneer de verstoringen te groot zijn, 'smelt' het kristal, zeggen Monroe en co.
Dat is interessant, zij het esoterisch, werk. Het laat zien dat de tijdkristallen echt kunnen bestaan, zoals in 2012 voorspeld door de Nobelprijswinnende natuurkundige Frank Wilczek van het MIT en Al Shapere van de Universiteit van Kentucky.
Wat toepassingen betreft, doen Monroe en co een aantal suggesties. Ze zeggen bijvoorbeeld dat tijdkristallen kunnen worden gebruikt voor kwantuminformatietaken, zoals het implementeren van een robuust kwantumgeheugen.
Maar de exotische aard van veel lichaamslokalisatie en het feit dat het nog steeds slecht wordt begrepen, kan betekenen dat andere natuurkundigen de aard van dit effect zorgvuldig willen onderzoeken voordat ze bevestigen dat het echt het bestaan van tijdkristallen laat zien.
Er is dus nog spannender werk te doen.
Referentie: http://arxiv.org/abs/1609.08684 : Observatie van een discrete tijdkristal