A fizikusok egy forradalmi időkristály segítségével fedezték fel a kvantumhalhatatlanságot

A kutatóknak sikerült meghosszabbítaniuk az időkristályok élettartamát, megerősítve a Frank Wilczek által javasolt elméleti koncepciót. Ez fontos előrelépést jelent a kvantumfizikában.

A TU Dortmundi Egyetem csapatának a közelmúltban sikerült egy rendkívül tartós időkristályt előállítania, amely több milliószor tovább él, mint a korábbi kísérletek kimutatták. Ezzel megerősítettek egy igen érdekes jelenséget, amelyet a Nobel-díjas Frank Wilczek mintegy tíz éve feltételezett, és amely már a sci-fi filmekbe is bekerült. Az eredményeket most tették közzé Természetfizika.

Úttörő eredmény az időkristály-kutatásban

A kristályok, pontosabban a kristályok az űrben, az atomok periodikus elrendezései nagy hosszúságú skálákon. Ez az elrendezés biztosítja a kristályok kifinomult megjelenését, sima felületekkel, mint a drágaköveken.

Mivel a fizika gyakran azonos szinten kezeli a teret és az időt, például a speciális relativitáselméletben, Frank Wilczek, a Massachusetts Institute of Technology (MIT) fizikusa és a fizikai Nobel-díjas 2012-ben azt feltételezte, hogy a Kristályokhoz az űrben , kristályoknak is kell lenniük időben. Ahhoz, hogy ez így legyen – mondta –, az egyik fizikai tulajdonságának spontán, időszakosan változni kell az idő múlásával, még akkor is, ha a rendszer nem tapasztal hasonló időszakos interferenciát.

Ami lángra hasonlít, az az új időkristály mérése: minden pont egy kísérleti értéknek felel meg, ami az időkristály magspin polarizációjának periodikus dinamikájának különböző nézeteit eredményezi. A kép forrása: Alex Grealish/TU Dortmund

Az időkristályok megértése

Az ilyen időkristályok létezésének lehetősége évek óta vitatott tudományos vita tárgya – de gyorsan eljutott a mozikba: az időkristály például központi szerepet kapott a Marvel Studios Bosszúállók: Végjáték (2019) című filmjében. 2017-től a tudósoknak már néhány alkalommal sikerült kimutatniuk egy lehetséges időkristályt.

Dr. Alex Grealish a TU Dortmund Fizikai Tanszékének Kondenzált Anyagkutatási Központjában dolgozik. Kredit: TU Dortmund

Ezek a rendszerek azonban – Wilczek eredeti elképzelésével ellentétben – meghatározott periodicitású időbeli gerjesztésnek voltak kitéve, majd egy másik, kétszer hosszabb periódussal reagáltak. Csak 2022-ben Bose-Einstein kondenzátorban mutattak ki egy kristályt, amely periodikusan viselkedik az idővel, bár a gerjesztés időfüggetlen, azaz állandó. A kristály azonban csak néhány ezredmásodpercig élt.

Időugrás kristály hosszú élettartam

A dortmundi fizikusok Dr. Alex Grelich vezetésével most egy különleges, indium-gallium-arzenidből készült kristályt terveztek, amelyben a nukleáris spinek az időkristály tárolójaként szolgálnak. A kristályt folyamatosan megvilágítják, így a magspin polarizációja az elektronspinnel való kölcsönhatás révén jön létre. Pontosan ez a magspin-polarizáció az, ami spontán módon generál oszcillációt, ami egy időkristálynak felel meg.

A kísérletek jelenlegi állása szerint a kristály élettartama legalább 40 perc, ami 10 milliószor hosszabb az eddigieknél, és valószínűleg sokkal tovább fog élni.

A kristályosodási periódus nagy léptékben változtatható a kísérleti körülmények szisztematikus változtatásával. Azonban olyan területekre is el lehet költözni, ahol a kristály „olvad”, azaz elveszti periodicitását. Ezek a régiók is érdekesek, hiszen ekkor kaotikus viselkedés alakul ki, amely hosszú ideig fennmaradhat. Ez az első alkalom, hogy a tudósok elméleti eszközöket használhatnak az ilyen rendszerek kaotikus viselkedésének elemzésére.

Hivatkozás: A. Greilich, NE Kopteva, AN Kamenskii, PS Sokolov, VL Korenev és M. Bayer „Erős folyamatos idejű kristály a nukleáris elektron spinrendszerében”, 2024. január 24. Természetfizika.
doi: 10.1038/s41567-023-02351-6