Novi vremenski kristal je 10 milijuna puta trajniji

Vremenski kristali su slični običnim kristalima po tome što se temelje na strukturama atoma koje se ponavljaju. Umjesto da se ponavljaju u tri dimenzije prostora, one se po u zadanom obrascu mijenjaju tijekom vremena.

Tim sa Sveučilišta TU Dortmund uspio je proizvesti vrlo izdržljiv vremenski kristal koji je živio milijune puta duže nego što se moglo pokazati u prethodnim eksperimentima. Time su potvrdili izuzetno zanimljiv fenomen koji je nobelovac Frank Wilczek postulirao prije desetak godina, a koji je već pronašao put do znanstvenofantastičnih filmova.

Kristali ili, točnije, kristali u prostoru, periodični su rasporedi atoma na velikim duljinskim skalama. Ovaj raspored daje kristalima njihov fascinantan izgled, s glatkim stranama kao kod dragog kamenja.

Kako fizika prostor i vrijeme često tretira na istoj razini, primjerice u posebnoj teoriji relativnosti, Frank Wilczek, fizičar s Massachusetts Institute of Technologya (MIT) i dobitnik Nobelove nagrade za fiziku, 2012. je pretpostavio da, osim kristala u prostoru, mora postojati i kristala u vremenu. Da bi to bio slučaj, rekao je, jedno od njihovih fizičkih svojstava moralo bi se spontano početi periodički mijenjati u vremenu, čak iako sustav ne doživljava odgovarajuće periodične smetnje.

To da su takvi vremenski kristali mogući bilo je predmet kontroverzne znanstvene rasprave, ali brzo je stiglo u kino. Primjerice, vremenski kristal igrao je središnju ulogu u filmu Avengers: Endgame.

Od 2017. nadalje, znanstvenici su doista u nekoliko navrata uspjeli demonstrirati potencijalni vremenski kristal. Međutim, radilo se o sustavima koji su za razliku od Wilczekove izvorne ideje podvrgnuti vremenskoj ekscitaciji s određenom periodičnošću, ali zatim reagiraju s još jednim dvostruko dužim periodom. Kristal koji se ponaša periodično u vremenu, iako je ekscitacija vremenski neovisna, tj. konstantna, dokazan je tek 2022. u Bose-Einsteinovom kondenzatu. Međutim, kristal je živio samo nekoliko milisekundi.

Dortmundski fizičari predvođeni dr. Alexom Greilichom sada su dizajnirali poseban kristal napravljen od indij galij arsenida, u kojem nuklearni spinovi djeluju kao rezervoar za vremenski kristal. Kristal je kontinuirano osvijetljen tako da se polarizacija nuklearnog spina formira kroz interakciju sa spinovima elektrona.

I upravo ta polarizacija nuklearnog spina tada spontano stvara oscilacije, ekvivalentne vremenskom kristalu. Status eksperimenata u ovom trenutku je da je životni vijek kristala najmanje 40 minuta, što je deset milijuna puta duže nego što je do sada pokazano, a potencijalno bi mogao živjeti daleko duže. 

Moguće je varirati period kristala u širokim rasponima sustavnim mijenjanjem eksperimentalnih uvjeta. No, također je moguće prijeći u područja gdje se kristal “topi”, tj. gubi svoju periodičnost. Ta su područja također zanimljiva jer se tada manifestira kaotično ponašanje koje se može održati tijekom dugih vremenskih razdoblja. Ovo je prvi put da su znanstvenici mogli upotrijebiti teoretske alate za analizu kaotičnog ponašanja takvih sustava.

Istraživanje objavljeno u časopisu Nature Physics pogledajte ovdje.