Χρονοκρύσταλλοι: μια νέα, εξωτική μορφή ύλης!

Τι είναι Ύλη;…

Εάν ανατρέξουμε εν συντομία στις κυριότερες Φιλοσοφικές θεωρήσεις για το τι είναι ύλη, θα διαπιστώσουμε ότι σύμφωνα με τον Αριστοτέλη η ύλη είναι η υπόσταση του υπάρχοντος, το είδος και η μορφή που έχει κάτι οντολογικά. Για τον Ντεκάρτ, η ύλη είναι αυτό που έχει μάζα και καταλαμβάνει κάποιο χώρο. Για τον Σπινόζα, τα πράγματα που υπάρχουν στη φύση είναι όλα μια πραγματικότητα ενώ ο Καντ θεωρούσε ύλη οτιδήποτε αισθητηριακά αντιληπτό. Στην κοινή επιστημονική αντίληψη, ωστόσο, παρ’ όλο που η έννοια της ύλης είναι θεμελιώδης, είναι δύσκολο να την εννοήσουμε εάν δεν αναφερθούμε στη δομή και τις ιδιότητές της· και, σε κάποιες περιπτώσεις, ίσως ακόμη και την αντιληψιμότητα και τη μέτρησή της.

Το 2012, ο τιμημένος με Νόμπελ Φυσικής Frank Wilczek, του ΜΙΤ, προέβλεψε θεωρητικά^[1][2] την ύπαρξη των λεγόμενων χρονοκρυστάλλων (Time-Crystals). Οι συνήθισμένοι κρύσταλλοι όπως αυτοί του χαλαζία ή του πάγου, αποτελούνται από άτομα που καταλαμβάνουν καθορισμένες θέσεις, συγκροτώντας τρισδιάστατες περιοδικά επαναλαμβανόμενες δομές. Η στοιχειώδης επαναλαμβανόμενη δομή ονομάζεται κυψελίδα. Τα άτομα του Νατρίου και του Χλωρίου σε έναν κρύσταλλο άλατος, επί παραδείγματι, είναι έτσι κατανεμημένα ώστε να σχηματίζουν oκτάεδρα, τα οποία καταλήγουν σε μια κυβική κυψελίδα. Στους χρονοκρυστάλλους, εντούτοις, τα άτομα σχηματίζουν επαναλαμβανόμενα μοτίβα όχι μόνο στον χώρο αλλά και στον χρόνο. Ένας τρόπος με τον οποίο θα μπορούσε να συμβαίνει κάτι τέτοιο, θα μπορούσε να είναι ότι τα άτομα στον κρύσταλλο κινούνται με έναν συγκεκριμένο ρυθμό. Εφόσον υπήρχε ένας χρονοκρύσταλλος πάγου, λόγου χάρη, τότε όλα τα μόρια του νερού θα δονούνταν σε μια πανομοιότυπη συχνότητα, και αυτό χωρίς να χρειαστεί καμία εξωτερική παρεμβολή.

Advertising

Πώς, όμως, ακριβώς ξεκίνησε η ιδέα των χρονοκρυστάλλων;

Ο Frank Wilczek αρχικά σκεπτόταν τις ομοιότητες που παρουσιάζουν ο χώρος και ο χρόνος. Σκέφτηκε επίσης ότι εφόσον οι κρύσταλλοι σπάνε τη Συμμετρία Μεταφοράς ή Μετατόπισης (Translation Symmetry) στο χώρο, θα μπορούσαν να υπάρχουν κρύσταλλοι που θα σπάνε τη Συμμετρία Μεταφοράς και στο χρόνο. Σύμφωνα με τον Sondhi, η ιδέα ότι τα άτομα κινούνται στο χρόνο αλλά με περιοδικό και όχι συνεχή τρόπο, ήταν πράγματι πολύ ενδιαφέρουσα και μάλιστα ήγειρε αντιπαραθέσεις για το αν τελικά μπορεί να υπάρχουν οι χρονοκρύσταλλοι. Το αρχικό συμπέρασμα φαινόταν να είναι αρνητικό· τουλάχιστον σε ό,τι αφορούσε το πώς ο Wilczek συνέλαβε την αρχική ιδέα.

Ο Sondhi και ο Khemani σκέφτηκαν με τελείως διαφορετικό τρόπο, το 2015, όταν εμβάθυναν στο θεωρητικό υπόβαθρο βάσει του οποίου οι χρονοκρύσταλλοι μπορεί να υπήρχαν. Συγκεκριμένα, διατύπωσαν ερωτήσεις σχετικά με το πώς τα άτομα και τα μόρια λαμβάνουν θέσεις ή έρχονται σε ισορροπία ώστε να σχηματίσουν τις φάσεις της ύλης, ήτοι στερεή, υγρή και αέρια (Μοριακή Γεωμετρία). Στο σημείο αυτό αξίζει να αναφερθεί ότι σύμφωνα με τις σημερινές αντιλήψεις, τα ατόμα δεν βρίσκονται παγιωμένα στις θέσεις τους. Αντίθετα, εκτελούν ταλαντώσεις γύρω από τη θέση ισορροπίας τους.

Παρ’ όλο που κατά την κοινή άποψη όλα τα συστήματα εν τέλει θα έρθουν σε ισορροπία, ορισμένες έρευνες οι οποίες διενεργήθηκαν την περασμένη δεκαετία, έθεσαν σε αμφισβήτηση την παραπάνω αντίληψη, και συγκεκριμένα για άτομα σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, όπου ισχύουν οι νόμοι της Κβαντικής Φυσικής. Έγινε στη συνέχεια αντιληπτό ότι ορισμένα συστήματα δεν φτάνουν ποτέ σε κατάσταση ηρεμίας εξαιτίας ενός φαινομένου που λέγεται Εντοπισμός Πολλών Σωμάτων (Many-Body Localization), το οποίο συμβαίνει λόγω της συμπεριφοράς πολλών ατόμων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, σε ένα άτακτο κβαντικό σύστημα. Η ιδέα του Εντοπισμού εισήχθη το 1958 από τον Philip Anderson, τότε καθηγητή του Πανεπιστημίου Princeton και τιμημένο με Νόμπελ Φυσικής. Οι έρευνες σε αυτό τον τομέα είναι παράδοση του Πανεπιστημίου του Princeton καθώς τη δουλειά του Anderson επέκτειναν το 2006 ο τότε καθηγητής του Princeton, Boris Altshuler, μαζί με τον μεταδιδακτορικό ερευνητή Denis Basko και τον Igor Aleiner από το Πανεπιστήμιο της Columbia.

Διαβάστε επίσης Σε αναζήτηση μιας νέας Γης

Advertising

Ενώ βρίσκονταν σε άδεια από το Ινστιτούτο Φυσικής Πολύπλοκων συστημάτων Max Plank, στη Γερμανία, ο Sondhi και ο Khemani συνειδητοποίησαν ότι οι ιδέες σχετικά με το πώς θα εμποδίσουμε ορισμένα συστήματα από το να έρθουν σε ισορροπία θα μπορούσαν να καταστήσουν δυνατή τη δημιουργία χρονοκρυστάλλων. Ένα σύστημα σε ισορροπία δεν μπορεί να είναι χρονοκρύσταλλος. Στη συνέχεια, οι ερευνητές υπολόγισαν ότι τα συστήματα εκτός ισορροπίας, μπορούν να δημιουργηθούν με περιοδική διέγερση του κρυστάλλου, μέσω έκθεσης των ατόμων του σε ακτίνες Laser.

Προς έκπληξη των ερευνητών, οι υπολογισμοί τούς αποκάλυψαν ότι η περιοδική διέγερση των ατόμων που βρίσκονταν σε εντοπισμένες φάσεις πολλών σωμάτων εκτός ισορροπίας, θα προκαλούσε στα άτομα κίνηση σε ρυθμό δυο φορές πιο αργό -ή σε διπλάσια περίοδο- σε σχέση με τον αρχικό ρυθμό με τον οποίον είχαν διεγερθεί.

Για να το εξηγήσει με απλούς όρους, ο Sondhi, συνέκρινε την παραπάνω διαδικασία με το «ζούληγμα» ενός σφουγγαριού, όχι συνεχόμενα αλλά σε μεμονωμένες στιγμές. Λογικά θα περιμέναμε το σφουγγάρι να επανακτήσει το αρχικό του σχήμα μονομιάς, εν προκειμένω όμως, το σφουγγάρι θα έβρισκε το χαμένο του όγκο έπειτα από κάθε δεύτερη συμπίεση που θα του ασκούσαμε, παρ’ όλο που θα του ασκούσαμε την ίδια δύναμη κάθε φορά! Ο μεταδιδακτορικός ερευνητής του Princeton, Curt von Keyserlingk, ο οποίος συνεισέφερε στο θεωρητικό υπόβαθρο που παρήγαν ο Khemani και ο Sondhi, αναφέρει: «Εξηγήσαμε το πώς τα συστήματα των χρονοκρυστάλλων «κλειδώνουν» σε συνεχείς ταλαντώσεις, γεγονός που εκφράζει την αυτόματη παραβίαση της Συμμετρίας Μετατόπισης στο χρόνο». Επιπλέον, στο θεωρητικό υπόβαθρο των χρονοκρυστάλλων συνέβαλαν και ερευνητές από το Microsoft’s Station Q, μια παγκόσμια κοινοπραξία για τους τοπολογικούς κβαντικούς υπολογισμούς, καθώς και ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Berkeley, στην Καλιφόρνια.

Διαβάστε επίσης Gatebox: The Hologram Anime Girlfriend

Ποια είναι τα πειραματικά δεδομένα που ακολούθησαν;

Συνεπεία της όλης θεωρητικής έρευνας, δύο ομάδες από πειραματικούς ερευνητές (από το Harvard και το Maryland) ξεκίνησαν τις προσπάθειες για τη δημιουργία χρονοκρυστάλλων, στο εργαστήριο. Η ομάδα του Harvard με τον Khemani αλλά και τον Von Keyserlingk από το Princeton, δημιούργησε μία κρυσταλλική δομή σε ένα συνθετικό διαμάντι. Σε μια διαφορετική προσέγγιση στο Πανεπιστήμιο του Maryland, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ιόντα Υττερβίου.

Advertising

Ιόντα Υττερβίου. Credit: Chris Monroe, University of Maryland.

Και τα δύο συστήματα έδειξαν «χρονοκρυσταλλική» συμπεριφορά, σύμφωνα με τον Christopher Monroe, τον επικεφαλής της έρευνας στο Maryland, o οποίος αναφέρει: «Παρ’ όλο που οποιεσδήποτε εφαρμογές αυτής της εργασίας φαίνονται κάπως μακρινές, τα πειράματα που διενεργήσαμε μπορούν να μας βοηθήσουν να μάθουμε κάτι παραπάνω για τα εγγενή χαρακτηριστικά αυτής της πολύπλοκης κβαντικής κατάστασης».

Η όλη έρευνα θα μπορούσε ακόμη και να οδηγήσει σε ιδέες για το πώς να προστατέψουμε την πληροφορία σε έναν Κβαντικό Υπολογιστή, ο οποίος μπορεί να «επηρεαστεί» από εξωτερικές παρεμβολές. Ο εντοπισμός πολλών σωμάτων μπορεί να προστατεύσει την κβαντική πληροφορία, σύμφωνα με δημοσιευμένη έρευνα από τον David Huse, τον Cyrus Fogg Brackett καθώς και τον Sondhi και τους συνεργάτες του, Rahul Nandkishore, Vadim Oganesyan και Arijeet Pal. Η συγκεκριμένη εργασία, μάλιστα, βοήθησε τον καθηγητή του Princeton, F. Duncan Haldane, στην έρευνά του για τρόπους προστασίας των τοπολογικών φάσεων της ύλης. Για την εν λόγω έρευνα, ο F. Duncan Haldane έλαβε, μεταξύ άλλων, το Νόμπελ Φυσικής το 2016.

Με την όλη έρευνα, διαπραγματεύονται ορισμένες από τις πιο θεμελιώδεις ερωτήσεις που αφορούν τη φύση της ύλης. Μέχρι πρότινος, εάν ένα σύστημα δεν ερχόταν σε ισορροπία, δεν θα μπορούσαμε να πούμε ότι βρίσκεται σε συγκεκριμένη φάση. Πλέον μπορούμε να προσδιορίσουμε τη φάση της ύλης, όταν αυτή δεν βρίσκεται σε ισορροπία. Η δημιουργία των χρονοκρυστάλλων μας επιτρέπει να αντιληφθούμε νέες καταστάσεις μη αταξίας στο χωροχρόνο, κάτι που προηγουμένως θεωρείτο αδύνατο.