Fizycy odkryli nieśmiertelność kwantową za pomocą rewolucyjnego kryształu czasu

Naukowcy dokonali wielkiego przełomu w dziedzinie fizyki kwantowej, wytwarzając kryształ czasu o czasie życia miliony razy dłuższym niż osiągnięto wcześniej. Odkrycie to potwierdza teoretyczne przewidywania kryształów czasu dokonane przez laureata Nagrody Nobla Franka Wilczka w 2012 roku, wykazujące okresowe zachowanie w układzie pozbawionym okresowych wpływów zewnętrznych.

Naukowcom udało się przedłużyć żywotność kryształów czasu, potwierdzając koncepcję teoretyczną zaproponowaną przez Franka Wilczka. Stanowi to ważny krok naprzód w fizyce kwantowej.

Zespołowi z Uniwersytetu TU w Dortmundzie udało się niedawno wyprodukować niezwykle trwały kryształ czasu, który żyje miliony razy dłużej, niż można było wykazać w poprzednich eksperymentach. Potwierdzili w ten sposób bardzo ciekawe zjawisko, które postulował około dziesięć lat temu laureat Nagrody Nobla Frank Wilczek, a które znalazło już swoje odzwierciedlenie w filmach science fiction. Wyniki opublikowano obecnie w Fizyka przyrody.

Pionierskie osiągnięcie w badaniach nad kryształami czasu

Kryształy, a dokładniej kryształy w przestrzeni, to okresowe układy atomów w dużych skalach długości. Takie ułożenie nadaje kryształom ich wyjątkowy wygląd i gładkie fasety jak w kamieniach szlachetnych.

Ponieważ fizyka często traktuje przestrzeń i czas na tym samym poziomie, na przykład w szczególnej teorii względności, Frank Wilczek, fizyk z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, w 2012 r. postawił hipotezę, że dodatkowo w przypadku kryształów w przestrzeni , muszą też pojawić się kryształy w czasie. Aby tak się stało, stwierdził, jedna z jego właściwości fizycznych musi zacząć się spontanicznie okresowo zmieniać w czasie, nawet jeśli system nie podlega podobnym okresowym zakłóceniom.

To, co przypomina płomień, to pomiar nowego kryształu czasu: każdy punkt odpowiada wartości eksperymentalnej, co prowadzi do różnych poglądów na okresową dynamikę polaryzacji spinu jądrowego kryształu czasu. Źródło obrazu: Alex Grealish/TU Dortmund

Zrozumienie kryształów czasu

Możliwość istnienia takich kryształów czasu jest od kilku lat przedmiotem kontrowersyjnych debat naukowych – szybko jednak trafiła do kin: np. kryształ czasu odegrał kluczową rolę w filmie Marvel Studios Avengers: Endgame (2019). Począwszy od 2017 r. naukowcom już kilkakrotnie udało się zademonstrować możliwy kryształ czasu.

Dr Alex Grealish pracuje w Centrum Badań nad Materią Skondensowaną na Wydziale Fizyki TU w Dortmundzie. Źródło: TU Dortmund

Układy te jednak – wbrew pierwotnemu zamyśle Wilczka – poddawane były czasowemu wzbudzeniu z określoną częstotliwością, po czym reagowały kolejnym, dwukrotnie dłuższym okresem. Kryształ zachowujący się okresowo w czasie, mimo że wzbudzenie jest niezależne od czasu, czyli stałe, wykazano dopiero w 2022 roku w kondensatorze Bosego-Einsteina. Jednak kryształ żył tylko przez kilka milisekund.

Skok w czasie długowieczności kryształów

Fizycy z Dortmundu pod kierownictwem dr Alexa Grelicha zaprojektowali teraz specjalny kryształ wykonany z arsenku indu i galu, w którym spiny jądrowe pełnią rolę zbiornika dla kryształu czasu. Kryształ jest oświetlany w sposób ciągły, tak że polaryzacja spinu jądrowego powstaje w wyniku interakcji ze spinem elektronu. To właśnie polaryzacja spinu jądrowego spontanicznie generuje oscylacje, odpowiednik kryształu czasu.

Stan eksperymentów w tej chwili jest taki, że kryształ ma żywotność co najmniej 40 minut, czyli 10 milionów razy dłużej niż dotychczas udowodniono i prawdopodobnie będzie żył znacznie dłużej.

Możliwe jest zmienianie okresu krystalizacji w dużych skalach poprzez systematyczną zmianę warunków eksperymentalnych. Można jednak również przenieść się do obszarów, w których kryształ „topi się”, czyli traci swoją okresowość. Regiony te są również interesujące, ponieważ pojawia się wówczas chaotyczne zachowanie, które można utrzymywać przez długi czas. Po raz pierwszy naukowcom udało się wykorzystać narzędzia teoretyczne do analizy chaotycznego zachowania takich systemów.

Odniesienie: „Silny ciągły kryształ czasowy w jądrowym układzie spinowym elektronów” autorstwa A. Greilicha, NE Kopteva, AN Kamenskii, PS Sokolov, VL Korenev i M. Bayer, 24 stycznia 2024 r., Fizyka przyrody.
doi: 10.1038/s41567-023-02351-6