Normala kristaller, gillar diamant, är ett atomgitter som upprepas i rymden, men fysiker föreslog nyligen att man skulle tillverka material som upprepas i tiden. Förra året, UC Berkeleys Norman Yao skissade ut faserna kring en tidskristall och vad man ska mäta för att bekräfta att detta nya material faktiskt är en stabil fas av materia. Detta stimulerade två lag att bygga en tidskristall, de första exemplen på en icke-jämviktsform av materia.

För de flesta människor, kristaller betyder diamant bling, halvädelstenar eller kanske de taggiga ametist- eller kvartskristallerna som är älskade av samlare.

Till Norman Yao, dessa inerta kristaller är toppen av isberget.

Om kristaller har en atomstruktur som upprepas i rymden, som kolgittret av en diamant, varför kan inte kristaller också ha en struktur som upprepas med tiden? Det är, en tidskristall?

I en tidning som publicerades online förra veckan i tidskriften Fysiska granskningsbrev , University of California, Berkeley biträdande professor i fysik beskriver exakt hur man tillverkar och mäter egenskaperna hos en sådan kristall, och förutsäger till och med vad de olika faserna som omger tidskristallen bör vara - besläktad med isens vätske- och gasfaser.

Detta är inte bara spekulationer. Två grupper följde Yaos ritning och har redan skapat de första tidskristallerna någonsin. Grupperna vid University of Maryland och Harvard University rapporterade sina framgångar, använder två helt olika inställningar, i tidningar som lades ut på nätet förra året, och har lämnat in resultaten för publicering. Yao är medförfattare på båda tidningarna.

Tidskristaller upprepas i tid eftersom de sparkas med jämna mellanrum, ungefär som att knacka på Jell-O upprepade gånger för att få den att vicka, sa Yao. Det stora genombrottet, han argumenterar, är mindre att dessa speciella kristaller upprepas med tiden än att de är de första i en stor klass av nya material som i sig är ur jämvikt, oförmögen att slå sig ner till den orörliga jämvikten av, till exempel, en diamant eller rubin.

"Detta är en ny fas av materien, period, men det är också riktigt coolt eftersom det är ett av de första exemplen på icke-jämviktsmateria, " sa Yao. "Under det senaste halvseklet, vi har utforskat jämviktsmateria, som metaller och isolatorer. Vi har precis börjat utforska ett helt nytt landskap av icke-jämviktsmateria."

Även om Yao är svårt att föreställa sig användningen av en tidskristall, andra föreslagna faser av icke-jämviktsmateria lovar teoretiskt sett nästan perfekta minnen och kan vara användbara i kvantdatorer.

En ytterbiumkedja

Tidskristallen skapad av Chris Monroe och hans kollegor vid University of Maryland använder en conga-linje av 10 ytterbiumjoner vars elektronsnurr interagerar, liknande de qubit-system som testas som kvantdatorer. För att hålla jonerna borta från jämvikt, forskarna slår dem omväxlande med en laser för att skapa ett effektivt magnetfält och en andra laser för att delvis vända atomernas spinn, upprepa sekvensen många gånger. Eftersom snurrarna samverkade, atomerna slog sig ner i ett stall, repetitivt mönster av spinnvändning som definierar en kristall.

Tidskristaller föreslogs första gången 2012 av Nobelpristagaren Frank Wilczek, och förra året bevisade teoretiska fysiker vid Princeton University och UC Santa Barbaras Station Q oberoende att en sådan kristall kunde göras. Enligt Yao, UC Berkeley-gruppen var "bron mellan den teoretiska idén och den experimentella implementeringen."

Ur kvantmekanikens perspektiv, elektroner kan bilda kristaller som inte matchar den underliggande rumsliga translationssymmetrin hos den ordnade, tredimensionell array av atomer, sa Yao. Detta bryter materialets symmetri och leder till unika och stabila egenskaper vi definierar som en kristall.

En tidskristall bryter tidssymmetri. I detta speciella fall, magnetfältet och lasern som periodiskt driver ytterbiumatomerna producerar en upprepning i systemet vid dubbelt så lång tid som drivkrafterna, något som inte skulle inträffa i ett normalt system.

"Skulle det inte vara superkonstigt om du viftade med Jell-O och upptäckte att den på något sätt svarade vid en annan period?" sa Yao. "Men det är kärnan i tidskristallen. Du har någon periodisk drivrutin som har en period 'T', men systemet synkroniserar på något sätt så att du observerar systemet svänga med en period som är större än 'T'."

Yao arbetade nära Monroe när hans team i Maryland gjorde det nya materialet, hjälpa dem att fokusera på de viktiga egenskaperna att mäta för att bekräfta att materialet faktiskt var en stabil eller stel tidskristall. Yao beskrev också hur tidskristallen skulle ändra fas, som en isbit som smälter, under olika magnetfält och laserpulsering.

Harvard-teamet, ledd av Mikhail Lukin, ställ in sin tidskristall med hjälp av tätt packade kvävevakanscenter i diamanter.

"Sådana liknande resultat som uppnåtts i två mycket olika system understryker att tidskristaller är en bred ny fas av materia, inte bara en nyfikenhet förpassad till små eller snävt specifika system, " skrev Phil Richerme, vid Indiana University, i ett perspektivstycke som åtföljer uppsatsen publicerad i Physical Review Letters. "Observation av den diskreta tidskristallen... bekräftar att symmetribrott kan inträffa i i stort sett alla naturliga världar, och banar vägen till flera nya forskningsvägar."

Yao fortsätter sitt eget arbete med tidskristaller när han utforskar teorin bakom andra nya men ännu inte realiserade icke-jämviktsmaterial.