Časové krystaly: Nový způsob, jak hmotnost může měřit čas
Časový krystal, který se pohybuje v rytmu jak pořádku, tak chaosu, odhalil nový způsob, jakým může hmota měřit čas. Nové experimenty prokázaly existenci časového rondeau krystalu – časového krystalu, který se opakuje v čase, ale nikdy úplně stejným způsobem. Výsledkem je chaos v krátkodobém horizontu, ale na delších časových měřítkách se objevuje pořádek.
V tomto výzkumu vědecký tým vedený Leo Joon Il Moonem z University of California, Berkeley, a Paulem Schindlerem z Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems v Německu píše: „Naše experimenty ukazují, že porušení periodicity pohonu může vést k novým exotickým formám částečného časového pořádku.“
Časové krystaly byly poprvé predikovány americkým teoretickým fyzikem Frankem Wilczekem v roce 2012 a poprvé byly pozorovány v roce 2016. Přinášejí dodatečnou složitost do vzorovaných atomových matic, které tvoří běžné pevné látky.
Krystalické materiály, jako je diamant, křemen a sůl, se skládají z trojrozměrných atomových mřížek, ve kterých se uspořádání jejich atomů opakuje. Jakákoli část mřížky přesunutá na jinou se bude shodovat, ale pouze pokud je dokonale superponována.
Časový krystal popisuje částice pohybující se skrze sekvence, které nejsou určeny timingem jakéhokoli externího podnětu, čímž se přerušuje očekávaný tok. Částice oscilují ve svých nejnižších energetických stavech s pravidlem opakování; tento vzor lze také dokonale superponovat, podobně jako prostorové uspořádání atomů v krystalu.
Časový kvazi-krystal je ten, ve kterém jsou oscilace atomů strukturovány, ale neopakují se, jako je Penroseovo dlaždění – vzor v dimenzionálním prostoru, který se nikdy přesně neopakuje, ale stále následuje soubor pravidel.
Podle Moona a jeho kolegů je časový rondeau krystal další verzí, vykazující jak pořádek, tak nepořádek, opakování a neopakování, podobně jako hudební forma známá jako rondeau. „Vzor skládající se z opakujícího se tématu (zde stroboskopický pořádek), který se střídá s kontrastním tématickým variací (zde krátkodobý časový chaos), je znám v klasické hudbě jako rondeau,“ uvádějí vědci.
Tým vytvořil svůj časový krystal využitím atomových prázdných míst, nebo vakuí, v diamantu. Tato vaku místa jsou mřížková místa, kde by měl atom sedět, ale nic tam není. To je známo jako centrum dusíkového-vakua, kde atom dusíku sedí vedle prázdného místa.
Použitím laserů k excitaci center dusíkového-vakua tým hyperpolarizoval jaderné spiny uhlíku-13 v diamantu. Programovatelný generátor libovolných vlnových tvarů poté poháněl spiny skrze přesně načasované sekvence pulsů od periodických po náhodné.
Tým pečlivě sledoval stovky takzvaných cyklů pohonu, nebo laserových pulsů, a zjistil, že v některých případech oscilovaly časové krystaly více než 4 sekundy před tím, než došlo k útlumu.
V těch několika sekundách však výzkumníci pozorovali, že i když chaos existoval v rámci každého cyklu pohonu, celkový stav časového krystalu se opakoval na začátku každého cyklu. Při pozorování pouze jednou na cyklus pohonu systém prokázal dokonalý pořádek, podobně jako dokonale načasované stroboskopické světlo může zachytit opakující se vzor v sérii obrazů na se točí obecně kolo.
Nakonec vědci posunuli svůj experiment na další úroveň. Aby ilustrovali ovladatelnost, tým dokonce zakódoval text – „Experimentální pozorování časového rondeau krystalu. Časový chaos ve prostorově-časovém pořádku“ – přímo do načasování pulsů, pomocí standardu ASCII.
Prozatím nemá praktické využití; ale otevírá možnosti pro budoucnost. „Naše experimenty,“ uzavírají vědci, „otevírají slibnou novou cestu pro zkoumání časového pořádku a demonstrují dlouho trvající stabilní koexistenci dlouhodobého časového pořádku a mikromotorového chaosu v krátkých časových škálách.“
