Fisikawan telah menciptakan "kristal waktu" pertama di dunia

Chris Monroe bekerja dengan perangkap ion dari desain yang sama (sumber: Hartmut Häffner)

Pada 2012, pemenang Nobel dalam bidang fisika, Frank Wilcek, mengusulkan ide yang tidak biasa. Dia menyarankan (dan mencoba membuktikan) kemungkinan adanya "kristal waktu". Struktur seperti itu, menurut ahli fisika, menerima energi untuk gerakan mereka dari kesalahan dalam simetri waktu. Kesalahan, menurut Wilcek, adalah bentuk khusus gerak abadi.

Kristal itu sendiri adalah struktur yang sangat tidak biasa. Sebagai contoh, kristal (kristal kisi kristal yang tidak memiliki simetri kubik lebih tinggi) memiliki sifat anisotropi. Anisotropi kristal adalah heterogenitas sifat fisiknya (elastis, mekanis, termal, listrik, magnetik, optik, dan lainnya) dalam berbagai arah.

Fisikawan modern tertarik tidak hanya pada anisotropi kristal, tetapi juga pada simetri mereka. Adapun simetri, ia memanifestasikan dirinya tidak hanya dalam struktur dan sifat mereka dalam ruang tiga dimensi nyata, tetapi juga dalam deskripsi spektrum energi elektron kristal, analisis proses difraksi sinar-x, difraksi neutron dan difraksi elektron dalam kristal menggunakan ruang timbal balik, dll. Adapun "kristal waktu", di sini para ilmuwan telah menyarankan bahwa kristal simetris dalam waktu.

Vilcek berbicaratentang kemungkinan fenomena ini pada tahun 2010: “Saya terus-menerus memikirkan klasifikasi kristal, dan kemudian saya berpikir bahwa Anda dapat membayangkan ruang-waktu dari sudut pandang ini. Yaitu, jika kita berpikir tentang kristal di ruang angkasa, akan logis untuk membayangkan struktur kristal pada waktunya. ” Dalam kristal, atom menempati posisi stabil dalam kisi. Dan karena benda-benda yang stabil tetap tidak berubah dalam waktu, ada kemungkinan bahwa atom dapat membentuk kisi yang terus berulang dalam waktu. Mereka kembali ke posisi awal mereka melalui interval diskrit, mematahkan simetri temporal. Jika kristal tidak mengkonsumsi dan tidak menghasilkan energi, maka kristal sementara tersebut stabil, berada di "kondisi dasar". Selain itu, perubahan siklik terjadi pada struktur kristal, yang,dari sudut pandang fisika, itu dapat dianggap sebagai gerakan abadi.

Banyak fisikawan memiliki keraguan tentang validitas hipotesis kemungkinan adanya kristal sementara. Tetapi para ilmuwan yang menerimanya mulai mencari cara untuk memverifikasi validitas asumsi Wilcek. Dan mereka menemukan.



Chris Monroe dari University of Marylanddi College Park untuk pertama kalinya ia dapat membuat kristal sementara di laboratoriumnya. Idenya adalah menciptakan sistem kuantum dalam bentuk sekelompok ion yang tersusun dalam sebuah cincin. Ketika mendinginkan cincin, seperti yang diklaim Monroe (dan sebelum dia, ilmuwan lain), keadaan energi seluruh sistem akan turun ke minimum. Dengan kata lain, dalam kondisi seperti itu, sistem masuk ke fase "kondisi dasar". Jika simetri temporal rusak, maka cincin harus berubah dalam waktu. Dengan kata lain, putar. Tentu saja, mustahil untuk mengekstraksi energi dari gerakan ini, karena ini bertentangan dengan hukum kekekalan energi.



Semua ini adalah teori. Dalam praktiknya, menerapkan gagasan ini lebih sulit. Niat untuk membuat cincin ion dan memverifikasi validitas hipotesis kristal sementara beberapa tahun lalu dilaporkan oleh para ilmuwan dari Berkeley. Mereka berencana untuk menyuntikkan ratusan ion kalsium ke dalam ruang kecil. Kamera ini harus dikelilingi oleh elektroda dan nyalakan arus. Medan listrik yang dihasilkan memungkinkan ion-ion didorong ke dalam ruangan yang tebalnya sekitar 100 mikron. Maka perlu untuk "mengkalibrasi" partikel untuk menyelaraskan medan. Ion-ion, mulai dari satu sama lain, akan membentuk cincin kristal, didistribusikan secara merata di sepanjang tepi luar ruangan.

Diasumsikan bahwa ion dalam perangkap seperti itu akan berada dalam keadaan tereksitasi, tetapi dengan bantuan laser energi kinetik mereka akan berkurang secara bertahap. Menurut rencana, suhu sistem harus dibawa ke 1 miliar derajat di atas nol. Setelah sistem mencapai keadaan dasar, para ilmuwan berencana untuk menghidupkan medan magnet statis. Bidang ini, jika hipotesis kristal sementara benar, seharusnya membuat ion berputar. Setelah ion kembali ke titik awal dalam periode waktu tertentu, para ilmuwan akan mendeteksi pelanggaran simetri temporal.

Monroe pergi dengan cara yang sama, hanya untuk membuat cincin dia tidak menggunakan ion kalium, tetapi ion ytterbium. Kesulitan dalam mengimplementasikan ide adalah bahwa tidak mungkin untuk memprediksi keberadaan partikel pada waktu tertentu di tempat tertentu. Benar, terima kasih pada pelokalan Anderson, pengecualian muncul dalam aturan ini yang dapat digunakan. Lokalisasi Anderson - sebuah fenomena yang terjadi selama perambatan gelombang dalam medium dengan ketidakhomogenan spasial dan terdiri atas fakta bahwa karena banyak hamburan oleh ketidakhomogenan dan gangguan gelombang yang tersebar, propagasi gelombang perjalanan menjadi tidak mungkin; getaran memperoleh karakter gelombang berdiri, terkonsentrasi (terlokalisasi) di area ruang terbatas.

Baru-baru ini, fisikawan telah mempelajari kelompok-kelompok partikel kuantum yang berinteraksi satu sama lain sedemikian rupa sehingga interaksi ini memaksa mereka untuk melokalisasi. Monroe dapat menggunakan hasil penelitian ini untuk memaksa ion ytterbium terjadi pada waktu tertentu. Sebagai hasilnya, sebuah kristal sementara diciptakan, dan tim Monroe, dengan demikian, membuktikan kemungkinan melanggar simetri temporal. Ketika mempelajari sifat-sifat kristal sementara, ternyata perubahan signifikan dalam frekuensi eksitasi ion membuat kristal "meleleh". Menurut para ilmuwan, penciptaan kristal sementara membuka kemungkinan luas untuk komputasi kuantum. Misalnya, berdasarkan kristal sementara, memori kuantum yang andal dapat dibuat.

Benar, karya Monroe dan rekannya masih membutuhkan verifikasi. Tim fisikawan lain berencana untuk menguji sifat efek kristal sementara dengan mengulangi eksperimen. Jika ini berhasil, hipotesis Frank Wilczek akan menjadi teori, dan fisika kuantum akan menerima insentif untuk pengembangan lebih lanjut.

arXiv: 1609.08684

Source: https://habr.com/ru/post/id398169/