Pro většinu lidí představují krystaly jiskřivé, čiré nebo rozmanitě barevné minerály, které mohou být velmi drahé anebo se alespoň pěkně vyjímají v domácí sbírce pozoruhodností. V takových krystalech se pravidelně opakuje jejich atomární struktura, důsledně uspořádaná v krystalické mřížce. Pak jsou ale ještě časové krystaly (anglicky time crystals, případně space-time crystals). Přitom není řeč o zajímavé rekvizitě ze superhrdinského komiksu – časovými krystaly se vážně zabývají fyzici.
Časové krystaly jsou takové struktury, které jsou periodické nejen v prostoru, ale i v čase. Je to vlastně rozšíření krystalu do čtvrté dimenze časoprostoru. Časové krystaly vymyslel poněkud extravagantní fyzik a nobelista Frank Wilczek z MIT. V roce 2012 přišel s tím, že by mohly existovat struktury, v nichž se odehrávají periodické oscilace ve stavu s nulovou energií. Jak už se to u takových bláznivých nápadů stává, časové krystaly si rychle našly vášnivé příznivce i zaryté odpůrce. V roce 2013 jsme na OSLU psali o tom, že se misky vah osudu naklonily v neprospěch časových krystalů a vypadalo to s nimi doopravdy zle. Nicméně, v roce 2016 se objevily dvě studie teoretických fyziků z Princetonu a Kalifornské univerzity v Santa Barbaře, které nezávisle na sobě potvrdily, že je teoreticky možné časové krystaly v podobě navrhované Wilczekem vytvořit. A od té doby to už jede jako po másle.
Před pár dny se ve významném online časopisu Physical Review Letters objevil článek, jehož autorem je Norman Yao z Kalifornské univerzity v Berkeley. Detailně v něm popisuje, jak časový krystal vyrobit, jak ho pak změřit, a jak bude vypadat. Nejlepší ovšem je, že nezůstalo jenom u teoretizování. Jak to u podobných převratných objevů bývá zvykem, Yao byl v kontaktu se dvěma nezávislými týmy fyziků a už před časem poslal jim rukopis svého článku s návodem na časové krystaly. A týmy z Marylandské univerzity a z Harvardu nezahálely. Přesto, že použily odlišné postupy, tak oba dva týmy nakonec úspěšně vytvořily časové krystaly, a s nimi i novou formu hmoty.
Badatelé z Marylandské univerzity vyrobili časové krystaly z řetězce deseti iontů ytterbia, jejichž spiny elektronů mezi sebou interagují – podobně jako systémy qubitů ve vyvíjených kvantových počítačích. Tým z Harvardu zase vytvořil časové krystaly z hustě uspořádaných nitrogen-vacancy center v diamantu. Tato centra vznikají nahrazením dvou atomů uhlíku z krystalové mřížky diamantu atomem dusíku (nitrogen) a prázdným místem (vacancy). Jestliže vědci vytvořili časové krystaly těmito v konkrétních detailech značně odlišnými postupy, tak to ukazuje, že časové krystaly nebudou jenom nějakou kuriozitou velmi specifických systémů, ale novou a plnohodnotnou fází hmoty. Pozorování vytvořených časových krystalů rovněž potvrdilo, že skutečně narušují symetrii posunutí v čase (time translation symmetry), jak bylo předpovězeno.
Nově vytvořené časové krystaly periodicky oscilují v čase, tak jak mají. Jsou tudíž hmatatelným příkladem doposud jen teoretické nerovnovážné (non-equilibrium) hmoty. Takový materiál je permanentně vykolejený z rovnováhy a nedokáže se ustálit ve stabilním uspořádání, v jakém jsou rovnovážné klasické materiály. Podle některých názorů by se časové krystaly a podobně nerovnovážné materiály mohly stát základem téměř dokonalých počítačových pamětí, které by nalezly využití ve kvantových počítačích zítřka. S časovými krystaly se teď určitě budeme potkávat častěji.
Video: Quantum Physics and Universal Beauty - with Frank Wilczek
Literatura
University of California – Berkeley 26. 1. 2017, Physical Review Letters 118: 030401, Wikipedia (Space-time crystal).
Kvantová teleportace na rekordní vzdálenosti
Autor: Vladimír Wagner (20.06.2012)
Mohou existovat kvantové časové krystaly?
Autor: Stanislav Mihulka (24.08.2013)
Baterie z jaderného odpadu a diamantů vydrží 5 tisíc let
Autor: Stanislav Mihulka (04.12.2016)
Nejmenší a nejodolnější rádio světa funguje díky defektům v diamantu
Autor: Stanislav Mihulka (20.12.2016)
Diskuze:
aldebaran
Bluke .,2017-02-17 10:45:20
tu jest to popisane p.Kulhankom >>>
http://www.aldebaran.cz/bulletin/2017_07_tim.php
Vizualizace
Viktor Kostohryz,2017-01-30 21:36:55
Prosákl už z vědeckých kruhů portrét tohoto materiálu? Celá představa je vyloženě matoucí...
Hm
Gordon Freeman,2017-01-30 10:27:35
Pochopil jsem to tak, že krystaly oscilují mezi dvěma ekvilibrii. Teoreticky je jenom jeden ground state, ten s nejnižší energií. Tady jsou zřejmě tak blízko sebe, že se krystal nemůže rozhodnout, do kterého spadne a periodicky se vrací tam, kde byl. Jeho aktuální stav je tak závislý na čase a nemá time-translational symmetry.
time translation symmetry
Bluke .,2017-01-30 09:13:20
neviem si to predstavit >> že skutečně narušují symetrii posunutí v čase "time translation symmetry"
Re: time translation symmetry
Marek Dendes,2017-01-31 08:30:47
t-symetria je symetria ktora predpoveda ze akykolvek fyzikalny proces by mal byt schopny bezat bez zmeny aj ked obratis tok casu .. v pozorovetelnom vesmire sme zatial ale nic take nezistili, co je v celku zrejme pretoze by to bolo proti druhemu termodynamickemu zakonu (entropia - neusporiadanost izolovanych systemov vzdy v case narasta)
ak toto dobre chapem, tieto "casove krystaly" sa "same od seba" stale vracaju zo stavu s vyssou entropiou naspat do stavu s nizsou entrorpiou (to je ta oscilacia) a tak dokola .. oredstav si ceruzku co postavis na spicku, pustis - ona by zacala padat a naspat sa stavat na spicku sama od seba :-))))) samozrejme tento jav je kvantovy, na makroskopickej urovni sa nedeje takze ta ceruzka je len metafora, nebrat doslovne :)
neviem si vobec predstavit aky dopad by to malo na makroskopicke vlastnosti takeho materialu, ale kazdopadne je to extremne zaujima vec ...
Re: Re: time translation symmetry
Bluke .,2017-01-31 09:04:18
Silne moc dakujem za "ludske" vysvetlenie
Re: Re: time translation symmetry
Marcel Brokát,2017-02-01 11:06:32
1. Entropie NENÍ míra neuspořádanosti systému! (pokolikáté už???)
2. NENÍ pravda, že entropie izolovaných systémů v čase vždy narůstá, pouze se nemůže zmenšovat (to je úplně něco jiného !!!)
3. T symetrie NENÍ to co popisujete, T symetrie říká, že procesy budou probíhat v obráceném pořadí pokud se obrátí tok času a vektory rychlosti (takže zase úplně něco jiného než jste napsal :-( )
Re: Re: Re: time translation symmetry
Marek Dendes,2017-02-01 15:08:44
ok, podme sa hrat zo slovickami a natahovat o detaily .. mojim cielom bolo podat velmi zjednousie aproximovane vysvetlenie pre ramcove pochopenie danej temy ..
ale ok:
1/ ano, velmi exaktne nieje, ale je to velmi rozsirenia interpretacia pouzivana v popularno-vedeckych kruhoch a nieje na nej nic v neporiadku
2/to je pravda, vypadlo mi to, samozrjeme chcel som napisat "vzdy narasta alebo ostava nezmenea" - pre ucely vysvetlenia je to ale uplne nepodstatny detail
3/ opat, za ucelom zjdnodusenia som vynechal detaily
"jendoduche" vysvetlenie ma byt jednoduche, nema byt vedecky exatkne presne, ma povolenen pouzivat aproximacie a vynechavat detaily ktore nie su dolezite pre celkove pochopenie problematiky ...
nakoniec nech Bluke napise ci mu vase upresnenai v niecom pomohli alebo nieco viac ujasnili :))))
Re: Re: Re: Re: time translation symmetry
Marcel Brokát,2017-02-01 15:24:44
ad 1) je na ní v nepořádku velmi mnoho, ale ok
ad 2) to je velmi velký rozdíl! neboť např Carnotův cykus má celkovou entropii nulovou, tedy konstantní a přitom se tam děje přesně to co popisujete s tou tužkou
ad 3) velký omyl - T symetrie se dá přirovnat k filmu puštěném pozpátku, tzn. reakce probíhají pozpátku, ne stejně...
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce