1. oldal

A nevük alapján tudományos-fantasztikus művekbe illő időkristályokat eredetileg olyan hipotetikus struktúráknak képzelték, amelyek energia hozzáadása nélkül rezegnek, mintha egy ketyegő órát sosem kellene felhúzni. Mintázatuk úgy ismétlődik az időben, ahogy a kristályszerkezet alapegységei a térben. Az ötlet annyira vadnak tűnt, hogy amikor Frank Wilczek Nobel-díjas fizikus először felvetette az időkristályok létezésének lehetőségét, a szakértők többsége gyorsan arra a következtetésre jutott, hogy ilyeneket márpedig nem lehet létrehozni.

Azóta azonban kiderült, hogy ez mégiscsak megoldható, ráadásul több, nagyon eltérő módszer is van az ilyen rendszerek létrehozására. A Marylandi Egyetem kutatói atomláncokból, a Harvard szakértői pedig szennyezett gyémántokból hoztak létre időkristályt, bár egyik sem egészen olyan, mint ahogy azt Wilczek eredetileg elképzelte.

Wilczek a szimmetriasértés egyik típusaként álmodta meg az időkristályokat. A fizika törvényeit nagyfokú szimmetria jellemzi, hiszen ezek többnyire az idő és a tér minden pontján egyformán működnek. Számos olyan rendszer van ugyanakkor, amely sérti ezt a szimmetriát. A mágnesekben az atomok spinje rendeződik, ahelyett, hogy össze-vissza minden irányba mutatna. Az ásványi kristályokban az atomok rácsba rendeződnek, és ha egy kicsit más szögből nézünk egy ilyen darabra, az nem fog ugyanúgy festeni, mint előtte.

Wilczeket az érdekelte, hogy vajon az időben is előfordulnak-e hasonló, spontán szimmetriasértések, és ha igen, lehet-e ezt produkáló mesterséges rendszereket létrehozni. A kísérleti fizikusok úgy képzelték, hogy így viselkedne mondjuk egy vákuumban tartott atomgyűrű, amely a végtelenségig forog, és időről időre visszatér ugyanabba a helyzetbe. Ennek tulajdonságai az idővel lennének örök szinkronban. A rendszer a legalacsonyabb energiaállapotban lenne, és mozgása nem igényelne külső energiát, tehát gyakorlatilag egy örökmozgóról lenne szó, amelynek energiáját azonban semmi hasznosra nem lehetne felhasználni.

Ez első pillantásra képtelenségnek tűnt, hiszen a legalacsonyabb energiaállapotú rendszereknek éppen az az egyik meghatározó tulajdonsága, hogy nem változnak az idővel. Ha így tennének, az azt jelentené, hogy többletenergiával rendelkeznek, amit elveszthetnek, akkor viszont a forgás leállna. Wilczek azonban meggyőzte kollégáit, hogy ennél összetettebb problémáról van szó. Örökmozgók ráadásul kvantumszinten nagyon is létezhetnek: a szupravezetők például elméletileg örökké vezetik az elektromosságot (bár ennek áramlása egyenletes, vagyis nem változik az idővel).

Nem mindenkit sikerült azonban meggyőznie a kutatónak. Vatanabe Haruki és Osikava Maszaki, a Tokiói Egyetem fizikusai pontosan annak láttak neki, hogy matematikai úton igazolják, ilyen rendszerek nem létezhetnek a valóságban. Ez 2015-re sikerült is nekik, vagyis megmutatták, hogy a legalacsonyabb energiaállapotú rendszerekben, illetve bármely olyan rendszerben, amely egyensúlyi állapotban van, nem lehet időkristályt létrehozni. A fizikusok többsége részéről ezzel megoldottnak is látszott a probléma, hiszen úgy tűnt, hogy Wilczek kérdésére egyértelmű nem a válasz.

A bizonyítás azonban hagyott egy kiskaput: nem zárta ki az időkristályok létezését a nem egyensúlyi állapotú rendszerekben. A lehetőségre felfigyelve néhány szakértő elkezdte vizsgálni, hogy van-e létjogosultsága az ilyen időkristályoknak. Az áttörés pedig onnan jött, ahonnan senki sem várta, és ahol a kutatókat egyáltalán nem érdekelték az időkristályok.

Shivaji Sondhi, a Princeton elméleti fizikusa kollégáival azt tanulmányozta, hogy mi történik bizonyos izolált kvantumrendszerekben, ha az egymással kölcsönhatásba kerülő részecskék keverékével rendszeresen energiát közlünk. Elméletileg ezeknek egyre jobban fel kellene hevülniük, mielőtt szétesnének. Sondhi csapata viszont arra jött rá, hogy bizonyos körülmények között a részecskék egy újfajta anyagtípust hozhatnak létre: olyan anyagot, amely sosem kerül egyensúlyi állapotba, és benne a részecskék az idővel változó, ismétlődő mintázatokat alkotnak.

2. oldal

Az ötlet felkeltette Wilczek egyik volt tanítványa, Chetan Nayak érdeklődését, aki rövidesen rájött, hogy egy ilyen anyag megfelelne az időkristállyal szemben támasztott követeléseknek is. Ez azonban nem olyan lenne, mint Wilczek időkristálya, hiszen nem a legalacsonyabb energiaállapotban létezne, és nem is magától menne, hanem rendszeresen energiát kellene közölni vele. De mivel a rendszer olyan ritmusra állna be, amely nem egyezik az energiaközlés ritmusával, sértené az időszimmetriát.

„Mintha egy ugrókötéllel játszanánk, és miközben kétszer lendítenénk körbe karunkat, a kötél csak egy kört tenne meg” – magyarázza Norman Yao, aki mind a michigani, mind a harvardi kutatócsoportnak tagja. Ez persze gyengébb szimmetriasértés, mint Wilczeké, hiszen esetében a kötél „magától” forogna, de kétségkívül szimmetriasértés.

Monroe ezt úgy oldotta meg, hogy különböző lézerekkel ismétlődően lövöldözött egy atomláncra, amely 10 itterbium-ionból állt. Az első lézer átfordította az ionok spinjét, a második pedig biztosította, hogy ezek véletlenszerűen kölcsönhatásba kerüljenek egymással. A két nyaláb hatására a spinek rezegni kezdtek, de kétszer olyan hosszú periódussal, mint ahogy az első nyaláb forgatta ezeket.

Ami még érdekesebb, ez a rezgés akkor is beállt, ha az első frekvencián egy kicsit változtattak a kutatók, vagyis tökéletlen volt a nyaláb. A rendszer tehát egy nagyon stabil rezgésre állt be, hasonlóan a térbeli kristályok atomjaihoz, amelyeket nagyon nehéz kimozdítani a rácsból. Ahogy azonban a térbeli kristályrácsot is meg lehet bontani, például kellő mértékű melegítéssel, úgy az időkristály is „megolvaszthatónak” bizonyult, ha eléggé eltolták az eredeti frekvenciát.

A harvardi Mikhail Lukin hasonlóan viselkedő rendszert hozott létre, de teljesen más módon. Vett egy gyémántot, amely nagyjából egymillió hibát tartalmazott (két szomszédos szénatom helyére egy nitrogén, illetve egy üres hely, egy vakancia került). Minden ilyen szennyeződés sajátos spinnel rendelkezett, és amikor a szakértők mikrohullámú impulzusokkal megpróbálták ezeket átfordítani, a rendszer egy olyan frekvenciára állt be, amely töredéke volt az azt befolyásolni próbáló behatás frekvenciájának.

A fizikusok egyetértenek abban, hogy mindkét rendszer sérti az időszimmetriát, így matematikailag kielégíti az időkristály fogalmát. Arról viszont megoszlanak a vélemények, hogy nevezhetők-e ezek időkristályoknak, amikor Wilczek egészen mást képzelt el, amikor megalkotta a fogalmat.

Az elméleti vitákon túllépve azonban az újfajta rendszerek más okból is izgalmasak. Monroe és Lukin ugyanis az anyag új formáját hozta létre, amely számtalan hasonló, mégis más anyagfajta létrehozásához vezethet. És ezeknek az egyensúlyi állapoton kívül létező, mégis stabil rendszereknek számos gyakorlati hasznuk is lehet. Az egyik, hogy lehetővé tehetik, hogy a fizikusok magasabb hőmérsékleten működő kvantumrendszereket hozzanak létre. A szakértők általában az abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékleteken kísérleteznek az összefonódott részecskékkel, hogy az anyag összetett viselkedésére derítsenek fényt, de az időkristályok olyan stabil kvantumrendszerek, amelyek akár szobahőmérsékleten is működhetnek.

Az időkristályok révén továbbá rendkívül érzékeny szenzorok lehetnek létrehozhatók, mondja Lukin, akinek laborjában már jelenleg is használnak szennyezett gyémántokat arra, hogy apró hőmérsékleti különbségeket vagy a mágneses mező piciny változásait detektálják. Az időkristályban az a jó, hogy a hibák közti interakciók nem semmisítik meg a törékeny kvantumállapotokat, hanem stabilizálják a rendszert. Így milliónyi hiba együttesen használható egyetlen erős jel létrehozására.

Érdekes potenciális felhasználási területet jelenthetnek a kvantumszámítógépek is, ahol szintén problémát jelent a kvantumbitek érzékenysége. Az időkristályok viszont felvillantják annak lehetőségét, hogy lehetnek olyan anyagállapotok, amelyben a fellépő interakciók stabilizálják a kvantumbiteket, megkönnyítve a velük való munkát, mondja Yao.