Időkristály: A kvantumfizika új rejtélye
A modern kvantumfizika időről időre olyan jelenségeket tár fel, amelyek első hallásra szinte ellentmondanak a jól ismert természeti törvényeknek. Az egyik ilyen különleges koncepció az úgynevezett időkristály, amelynek létezése sokáig csupán elméleti felvetésnek számított. Az utóbbi években azonban a kutatók egyre közelebb kerültek ahhoz, hogy a jelenséget kísérletileg is bizonyítsák.
Egy friss kutatás szerint a tudósoknak sikerült egy kvantumszámítógép segítségével létrehozniuk egy olyan rendszert, amely az időkristályokra jellemző viselkedést mutat. A különlegessége abban rejlik, hogy a rendszer külső energia felvétele nélkül képes folyamatos, ciklikus állapotváltozásra.
Mi az az időkristály valójában?
A kristályok szerkezetét általában az jellemzi, hogy az atomok vagy molekulák térben ismétlődő mintázatban rendeződnek el. Az időkristály esetében azonban a periodikusság nem a térben, hanem az időben jelenik meg. Ez azt jelenti, hogy a rendszer elemei meghatározott időközönként váltanak állapotot, majd visszatérnek eredeti konfigurációjukba.
Ez a jelenség megsérti az úgynevezett idő-transzlációs szimmetriát, amely szerint a fizikai törvények az idő múlásával változatlanok maradnak. Egyszerűbben fogalmazva: ha egy rendszer ugyanazokat a szabályokat követi, akkor viselkedésének nem kellene spontán módon periodikussá válnia.
A tudományos vita éppen ezért rendkívül izgalmas, hiszen az időkristályok működési elve első pillantásra az örökmozgó elméletéhez hasonlít.
Az elmélet megszületése
Az időkristály koncepcióját először Frank Wilczek fizikus vetette fel 2012-ben. Az általa leírt úgynevezett klasszikus időkristályok olyan rendszerek lettek volna, amelyek még legalacsonyabb energiaállapotukban is mozgásban maradnak.
Ez a gondolat azonban komoly problémát vetett fel a fizika egyik alaptörvényével kapcsolatban: a termodinamika második főtételével. Ha egy rendszer energia hozzáadása nélkül folyamatos mozgást végezne, akkor az gyakorlatilag egy örökmozgó lenne.
Wilczek később a kvantum időkristályok elméleti lehetőségét is felvázolta, amely egy zárt kvantummechanikai rendszerben jöhetne létre. Ő maga is elismerte azonban, hogy egy ilyen rendszer
„veszélyesen közel állna ahhoz, hogy megfeleljen az örökmozgó definíciójának”.
Kísérletek az időkristály létrehozására
A kutatók hosszú ideig próbálták eldönteni, vajon az időkristályok valóban létrehozhatók-e a valóságban. Egy jelentős előrelépést a Princeton Egyetem kutatói értek el 2015-ben.
Tanulmányukban egy új anyagfázist írtak le, amelyet pi-spinüveg fázisnak neveztek el. Ebben a rendszerben az anyag építőelemeinek spinje – vagyis perdülete – periodikusan változik, miközben az egyik stabil állapotból a másikba vált.
Fontos azonban, hogy a kutatók eredetileg nem nevezték ezt időkristálynak. Ennek oka az volt, hogy a rendszer működéséhez külső hatásra, például egy lézer fényhullámaira volt szükség.
Azonban a részecskék nem nyelték el ezt az energiát. Ez a különleges tulajdonság vezetett ahhoz, hogy a jelenség egy továbbfejlesztett változata később megkapta a Floquet időkristály elnevezést, amely Gaston Floquet francia matematikus munkásságára utal.
A Floquet időkristály működése
A Floquet időkristály esetében az állapotváltozás diszkrét időlépésekben történik. A lézer impulzusai határozzák meg a rendszer ritmusát, miközben a részecskék spinje periodikus mintázatot vesz fel.
Egy egyszerű példa szerint az egymással kapcsolatban álló részecskék egy adott pillanatban mind fel spinű állapotban lehetnek. A következő lépésben ez mind le spinre vált, majd újra visszatér az eredeti állapotba. Ez a ciklikus viselkedés alkotja az időkristály jellegzetes mintázatát.
Kvantumszámítógép segítségével létrehozott időkristály
A kutatások új szakaszba léptek, amikor kiderült, hogy a kvantumszámítógépek nemcsak modellezni képesek az időkristályokat, hanem akár létre is hozhatják őket.
Egy princetoni és stanfordi fizikusokból álló kutatócsoport a Google Sycamore kvantumszámítógépét használta fel a jelenség vizsgálatához. A rendszer egy 20 qubites chipen hozott létre olyan mintázatot, amely megfelel az időkristályok viselkedésének.
A kutatásról szóló tanulmány Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor címmel jelent meg.
A kvantumszámítógép egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy a qubitek közötti kölcsönhatások erőssége szabályozható. Ez lehetővé teszi, hogy a kutatók egy randomizált kölcsönhatásokból álló többtest rendszert hozzanak létre.
A rendszer állapotváltozását mikrohullámú impulzusokkal indították el. A kutatók több tízezer kísérleti futtatás során figyelték meg, hogy a periodikus mintázat stabilan fennmarad.
A legfontosabb eredmény az volt, hogy a rendszer nem vett fel energiát a környezetéből, miközben a ciklikus állapotváltozás továbbra is jelen volt.
Miért fontos ez a felfedezés?
Bár az időkristályok gyakorlati felhasználása egyelőre nem teljesen tisztázott, a kutatók szerint komoly szerepet játszhatnak a jövő kvantumtechnológiáiban.
Egy 2020-ban megjelent japán kutatás például azt javasolta, hogy az időkristályok segíthetnek összetett kvantumhálózatok szimulációjában, ami kulcsfontosságú lehet a kvantumszámítógépek fejlesztésében.
Az új eredmények azt mutatják, hogy a kvantumprocesszorok nemcsak számítási feladatok végrehajtására alkalmasak, hanem teljesen új anyagállapotok és fizikai rendszerek létrehozására is.
A kutatás jövője
Fontos kiemelni, hogy az időkristályok kutatása még mindig aktív tudományos vita tárgya. A most bemutatott tanulmány például még peer-review, vagyis szakértői bírálati folyamat előtt áll.
Mindeközben más kutatócsoportok is kísérleteznek hasonló rendszerekkel. Nemrég például egy csapat arról számolt be, hogy gyémántkristályban sikerült időkristály-szerű állapotot létrehozni.
Ha ezek az eredmények megerősítést nyernek, akkor az időkristályok nem csupán elméleti különlegességek lesznek, hanem a kvantumfizika egyik új kutatási irányának alapkövei.
Közzétette: Sandal / www.fenyorveny.hu
Ha tetszett a cikk, oszd meg ismerőseiddel is, még több érdekességért, képért és videóért pedig látogass el FACEBOOK oldalunkra! Csatlakozz PINTERESTÜNKHÖZ, INSTAGRAMUNKHOZ , TELEGRAMUNKHOZ, vagy X-HEZ is! Vagy iratkozz fel a napi HÍRLEVÉLRE, hogy ne maradj le a friss hírekről!
Ha szeretnél, akkor nézzél szét a többi oldalamon is:
Angyalmandala Design oldalamon egyedi készítésű (AI mentes) vászonmandalákat találhatsz, illetve angyali kristályokat (angyali energiákkal feltöltve), angyali vezetésű mandala festményeket és képeket, és egyéb angyali kézműves termékeket vásárolhatsz!
Angyalok Fénye oldalamon pedig minden nap új angyali üzeneteket találhatsz, amik saját közvetítések. Illetve megismerheted az angyalok világát.
Várlak szeretettel!
