Imaginaţi-vă un un ceas care măsoară perfect timpul pentru totdeauna, chiar şi după dispariţia căldurii din Univers. Aceasta este caracteristica extraordinară din spatele unui dispozitiv cunoscut sub interesantul nume de „cristal spaţiu-timp”.
Vorbim de un aşa-numit cristal în patru dimensiuni care are o structură periodică în spaţiu şi timp. Totuşi există şi motive practice, dar şi ştiinţifice, chiar importante, pentru a construi un cristal spaţiu-timp. Cu un astfel de cristal în 4 dimensiuni, oamenii de ştiinţă vor avea la dispoziţie noi mijloace, mai eficiente, cu ajutorul cărora să studieze proprietăţile fizice şi comportamentele complexe care se nasc din interacţiunile colective ale unui număr mare de particule individuale, aşa-numita problemă a „corpurilor multiple” din fizică. Un cristal spaţiu-timp va putea fi folosit pentru a studia fenomenele din lumea cuantică, precum inseparabilitatea cuantică (quantum entanglement), fenomen în cadrul căruia o acţiune exercitată asupra unei particule afectează o altă particulă, chiar dacă cele două particule sunt separate de distanţe mari.
Presupusul cristal spaţiu-timp prezintă structuri periodice (a) atât în spaţiu, cât şi în timp, cu ioni ultrareci (b) ce se rotesc într-o direcţie chiar şi în cea mai joasă stare de energie. Credit: Xiang Zhang group, Berkeley Lab-UC Berkeley.
Un cristal spaţiu-timp a existat doar ca şi concept până în prezent în minţile teoreticienilor, fără a exista o idee serioasă despre cum ar putea fi construit unul. O echipă internaţională de oameni de ştiinţă, condusă de cercetători de la Laboratorul Naţional Berkley (Berkeley Lab) al U.S. Department of Energy (DOE), au propus un design experimental pentru un cristal spaţiu-timp bazat pe o capcană de ioni într-un câmp electric şi pe respingerea prin intermediul forţei Coulomb dintre particulele care au aceeaşi sarcină electrică.
„Câmpul electric al capcanei de ioni ţine în loc particulele cu sarcină electrică, iar respingerea Coulomb le determină să formeze în mod spontan un inel spaţial de cristal”, spune Xiang Zhang, un cercetător universitar la Divizia de Ştiinţa Materialelor de la Laboratorul Berkeley care a condus această cercetare. „Sub influenţa unui câmp magnetic static slab, acest cristal ionic în formă de inel va începe o rotaţie care nu va înceta niciodată. Rotaţia persistentă a ionilor prinşi în capcană produce o ordine temporală, ceea ce conduce la formarea unui cristal spaţiu-timp la cea mai joasă stare cuantică de energie.”
Deoarece cristalul spaţiu-timp este deja în cea mai joasă stare cuantică de energie, ordinea sa temporală – sau mecanismul de cronometrare – va persista, din punct de vedere teoretic, chiar şi după ce restul Universului va ajunge la entropie, echilibru termic sau „moartea căldurii”.
Zhang, ce deţine titlul de Profesor „Ernest S. Kuh” de inginerie mecanică la Universitatea din California (UC) Berkeley, unde mai conduce şi Nano-scale Science and Engineering Center, este autorul unei lucrări care descrie acest efort de cercetare în revista Physical Review Letters (PRL). Lucrarea este intitulată "Space-time crystals of trapped ions". Co-autori la această lucrare sunt Tongcang Li, Zhe-Xuan Gong, Zhang-Qi Yin, Haitao Quan, Xiaobo Yin, Peng Zhang şi Luming Duan.
Conceptul de cristal care prezintă o ordine discretă în timp a fost propus mai devreme în acest an de către Frank Wilczek, un fizician câştigător al Premiului Nobel de la Massachusetts Institute of Technology.
În timp ce Wilczek a dovedit matematic faptul că un cristal temporal poate exista, modalitatea de a crea fizic un astfel de cristal temporal era neclară. Zhang şi grupul său, care au lucrat cu probleme de ordine temporală la un model diferit din septembrie 2011, au venit cu un design experimental pentru construcţia unui cristal care are caracteristici discrete atât în spaţiu, cât şi în timp – un cristal spaţiu-timp. Lucrări pentru ambele propuneri apar în acelaşi număr al PRL (numărul din 24 septembrie 2012).
Cristalele tradiţionale sunt structuri solide 3D alcătuite din atomi sau molecule legate împreună într-un model ordonat şi repetitiv. Exemple comune sunt gheaţa, sarea şi fulgii de zăpadă. Cristalizarea apare atunci când căldura este înlăturată dintr-un sistem molecular până ce acesta ajunge în cea mai joasă stare de energie. La un anumit punct de joasă energie, simetria spaţială continuă se distruge şi cristalul îşi însuşeşte simetrie discretă, ceea ce înseamnă că structura nu mai este la fel în toate direcţiile, ci aceasta este aceeaşi doar în câteva direcţii.
„S-au făcut progrese majore în ultimele câteva decenii în explorarea fizicii incitante care descrie cum materialele cristaline cu puţine dimensiuni precum grafenul bidimensional, nanotuburile monodimensionale şi fulerenele C60 cu zero dimensiuni” spune Tongcang Li, prim-autor al lucrării din PRL şi post-doctorand în grupul de cercetare al lui Zhang. „Ideea de a crea un cristal cu dimensiuni mai mari decât cele ale cristalelor convenţionale 3D este un important avans conceptual în fizică şi este foarte incitant pentru noi să fim primii care au găsit o modalitate de a realiza un cristal spaţiu-timp.”
La fel cum configuraţia unui cristal 3D este la cea mai joasă starea cuantică de energie când simetria spaţială continuă este distrusă, lăsând locul simetriei discrete, în acelaşi mod distrugerea simetriei este de aşteptat să configureze componenta temporală a cristalului spaţiu-timp. Potrivit planului conceput de Zang, Li şi colegii lor, un inel spaţial de ioni captivi într-o rotaţie permanentă se va autoreproduce periodic în timp, formând un analog temporal al unui cristal spaţial obişnuit. Cu o structură periodică atât în spaţiu, cât şi în timp, rezultatul este un cristal spaţiu-timp.
„În timp ce un cristal spaţiu-timp arată ca un perpetuum mobile şi pare a nu fi plauzibil la prima vedere”, spune Li, „amintiţi-vă că un supraconductor sau chiar şi un inel normal de metal poate susţine curenţi persistenţi de electroni în starea cuantică de bază în condiţii favorabile. Desigur că electronii dintr-un metal duc lipsă de ordine spaţială şi prin urmare metalul nu poate fi folosit pentru a crea un cristal spaţiu-timp.”
Li scoate repede în evidenţă faptul că, totuşi, cristalul spaţiu-timp pe care l-au gândit nu este un perpetuum mobile pentru că, fiind în cea mai joasă stare cuantică de energie, nu există energie cedată. Totuşi, există multe studii ştiinţifice pentru care un cristal spaţiu-timp ar fi nepreţuit.
„Cristalul spaţiu-timp ar fi un sistem de corpuri multiple prin natura sa”, spune Li. „Astfel, ne-ar putea furniza o nouă metodă de a explora întrebările clasice din fizică despre corpurile multiple. Spre exemplu, cum apare un cristal spaţiu-timp? Cum se rupe simetria de translaţie a timpului? Ce sunt cvasi-particulele în cristalele spaţiu-timp? Care sunt efectele defectelor din cristalele spaţiu-timp? Studiind aceste întrebări, ne va spori în mod semnificativ înţelegerea asupra naturii.”
Peng Zhang, un alt co-autor şi membru al grupului de cercetare al lui Zhang, notează faptul că un cristal spaţiu-timp ar mai putea fi folosit pentru a înmagazina şi transfera informaţia cuantică de-a lungul diferitelor stări de rotaţie atât în spaţiu, cât şi în timp. Cristalele spaţiu-timp analoage s-ar mai putea găsi şi în alte sisteme fizice în afara ionilor captivi.
„Aceste cristale similare ar putea deschide drumuri spre noi tehnologii fundamentale şi dispozitive pentru o varietate de aplicaţii”, spune acesta.
Xiang Zhang crede că ar putea fi posibil să construiască chiar acum cristalul spaţiu-timp folosind schema lor şi capcane pentru ioni de ultimă generaţie. El şi grupul său sunt în căutarea colaboratorilor care deţin expertiza şi mijloacele materiale pentru a crea capcanele respective.
„Provocarea principală va fi răcirea unui inel de ioni până la starea sa de bază”, spune Xhiang Zhang.” Aceasta ar putea fi depăşită în viitor odată cu dezvoltarea tehnologiilor pentru capcane de ioni. Deoarece nu a mai existat nici un cristal spaţiu-timp, cele mai multe dintre proprietăţile sale vor fi necunoscute şi va trebui să le studiem. Astfel de studii ar trebui să ne sporească înţelegerea asupra tranziţiilor de fază şi ruperii simetriei”.
Traducere realizată de Răzvan Gavrilă după A clock that will last forever, cu acordul Phys.org.
