Tidskristaller kan låta som något från science fiction, har mer att göra med tidsresor eller Dr. Who. Dessa konstiga material - där atomer och molekyler är arrangerade över rymden och tiden - är faktiskt ganska verkliga, och öppnar helt nya sätt att tänka på materiens natur. De kan också så småningom hjälpa till att skydda information i futuristiska enheter som kallas kvantdatorer.

Två grupper av forskare baserade vid Harvard University och University of Maryland rapporterar den 9 mars i tidskriften Natur att de framgångsrikt har skapat tidskristaller med hjälp av teorier som utvecklats vid Princeton University. Det Harvard-baserade teamet inkluderade forskare från Princeton som spelade grundläggande roller för att utarbeta den teoretiska förståelse som ledde till skapandet av dessa exotiska kristaller.

"Vårt arbete upptäckte den väsentliga fysiken för hur tidskristaller fungerar, "sa Shivaji Sondhi, en professor i fysik i Princeton. "Vad är mer, denna upptäckt bygger på en uppsättning utvecklingar på Princeton som tar upp frågan om hur vi förstår komplexa system in och ut ur jämvikt, vilket är centralt viktigt för hur fysiker förklarar vardagens natur. "

2015, Sondhi och kollegor inklusive dåvarande doktoranden Vedika Khemani, som fick sin doktorsexamen på Princeton 2016 och är nu juniorkarl på Harvard, liksom medarbetarna Achilleas Lazarides och Roderich Moessner vid Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems i Tyskland, publicerade den teoretiska grunden för hur tidskristaller - först ansågs omöjliga - faktiskt kunde existera. Publicerad i tidskriften Physics Review Letters i juni 2016, tidningen framkallade konversationer om hur man bygger sådana kristaller.

Vanliga kristaller som diamanter, kvarts eller is består av molekyler som spontant ordnar sig i ordnade tredimensionella mönster. Natrium- och kloratomerna i en saltkristall, till exempel, är åtskilda med jämna mellanrum, bildar ett sexkantigt galler.

I tiden kristaller, dock, atomer är ordnade i mönster, inte bara i rymden, men också i tid. Förutom att innehålla ett mönster som upprepas i rymden, tidskristaller innehåller ett mönster som upprepas med tiden. Ett sätt detta kan hända är att atomerna i kristallen rör sig med en viss hastighet. Var en tidskristall av is att existera, alla vattenmolekyler skulle vibrera med en identisk frekvens. Vad är mer, molekylerna skulle göra detta utan inmatning från omvärlden.

Begreppet tidskristaller har sitt ursprung hos fysikern Frank Wilczek vid Massachusetts Institute of Technology. Under 2012, Nobelpristagaren och tidigare Princeton -fakultetsmedlem tänkte på likheterna mellan rum och tid. I fysikspråket, kristaller sägs "bryta translationell symmetri i rymden" eftersom atomerna samlas i styva mönster snarare än att de är jämnt utspridda, som de är i en vätska eller gas. Borde det inte också finnas kristaller som bryter translationell symmetri i tid?

"Atomerna rör sig i tid, men istället för att röra sig flytande eller kontinuerligt, de rör sig periodiskt, "Sondhi sa." Det var en intressant idé. "Det var också en idé som ledde till heta debatter i fysiktidningarna om huruvida sådana kristaller kunde existera. Den första slutsatsen tycktes vara att de inte kunde, åtminstone inte i inställningarna som Wilczek visualiserade.

Sondhi och Khemani funderade på ett helt annat problem 2015 när de arbetade fram teorin om hur tidskristaller kan existera. De undersökte frågor om hur atomer och molekyler slår sig ner, eller komma till jämvikt, att bilda faser av materia som fasta ämnen, vätskor och gaser.

Även om det var vanlig visdom bland fysiker att alla system så småningom slår sig ner, arbete under det senaste decenniet eller så hade utmanat den uppfattningen, specifikt bland atomer vid mycket låga temperaturer där kvantfysikens regler gäller. Man insåg att det finns system som aldrig går i jämvikt på grund av ett fenomen som kallas "lokalisering av många kroppar, "som uppstår på grund av beteendet hos många atomer i ett oordnat kvantsystem som påverkar varandra.

Arbetet inom detta område är en lång Princeton -tradition. Det första och viktigaste begreppet hur kvantsystem kan lokaliseras när de är störda, kallad Anderson -lokalisering, härstammade från arbete av Philip Anderson, en Princeton -professor och nobelpristagare, 1958. Detta arbete utvidgades 2006 till system med många atomer av dåvarande Princeton -professor Boris Altshuler, postdoktor Denis Basko, och Igor Aleiner från Columbia University.

På sabbatsdagen vid Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems i Tyskland, Sondhi och Khemani insåg att dessa idéer om hur man förhindrar system från att nå jämvikt skulle möjliggöra skapandet av tidskristaller. Ett system i jämvikt kan inte vara en tidskristall, men icke-jämviktssystem kan skapas genom att periodiskt peta, eller "körning, "en kristall genom att lysa en laser på dess atomer. Till forskarnas förvåning, deras beräkningar avslöjade att periodiskt framkallande atomer som befann sig i icke-jämviktslokaliserade faser i många kroppar skulle få atomerna att röra sig med en hastighet som var dubbelt så långsam-eller dubbelt så mycket som den ursprungliga hastigheten med vilken de producerades.

Att förklara, Sondhi jämförde drivningen av kvantsystemet med att pressa periodiskt på en svamp. "När du släpper svampen, du förväntar dig att den ska återuppta sin form. Föreställ dig nu att den bara återupptar sin form efter varje andra klämning trots att du applicerar samma kraft varje gång. Det är vad vårt system gör, " han sa.

Princeton postdoktor Curt von Keyserlingk, som bidrog med ytterligare teoretiskt arbete med Khemani och Sondhi, sa, "Vi förklarade hur tidskristallsystemen låser sig i de ihållande svängningarna som innebär en spontan brytning av tidsöversättningssymmetri." Ytterligare arbete av forskare vid Microsofts Station Q och University of California-Berkeley ledde till ytterligare förståelse av tidskristaller.

Som ett resultat av dessa teoretiska studier, två grupper av experimenterade började försöka bygga tidskristaller i laboratoriet. Det Harvard-baserade teamet, som inkluderade Khemani vid Harvard och von Keyserlingk i Princeton, använde en experimentell installation som innebar att skapa ett konstgjort gitter i en syntetisk diamant. Ett annat tillvägagångssätt vid University of Maryland använde en kedja av laddade partiklar som kallas ytterbiumjoner. Båda lagen har nu publicerat verket i veckan Natur .

Båda systemen visar uppkomsten av tidskristallint beteende, sa Christopher Monroe, en fysiker som ledde insatsen vid University of Maryland. "Även om alla ansökningar om detta arbete ligger långt i framtiden, dessa experiment hjälper oss att lära oss något om det inre arbetet i detta mycket komplexa kvanttillstånd, " han sa.

Forskningen kan så småningom leda till idéer om hur man skyddar information i kvantdatorer, som kan störas av störningar från omvärlden. Lokalisering med många kroppar kan skydda kvantinformation, enligt forskning som publicerades 2013 av Princeton -teamet i David Huse, Cyrus Fogg Brackett professor i fysik, liksom Sondhi och kollegorna Rahul Nandkishore, Vadim Oganesyan och Arijeet Pal. Forskningen belyser också sätt att skydda topologiska faser av materia, forskning för vilken Princetons F. Duncan Haldane, Eugene Higgins professor i fysik, delade ut Nobelpriset i fysik 2016.

Sondhi sa att arbetet tar upp några av de mest grundläggande frågorna om materiens natur. "Man trodde att om ett system inte slår sig ner och kommer till jämvikt, man kunde inte riktigt säga att det är i en fas. Det är en stor sak när du kan ge en definition av en fas av materia när saken inte är i jämvikt, " han sa.

Denna inställning utanför jämvikt har möjliggjort förverkligandet av nya och spännande faser av materia, enligt Khemani. "Skapandet av tidskristaller har gjort det möjligt för oss att lägga till en post i katalogen över möjliga beställningar i rymdtid, tidigare tänkt omöjligt, "Sa Khemani.

Tidningarna "Observation of discrete time-kristalline order in a disordered dipolar many-body system" och "Observation of a discrete time crystal" publicerades 9 mars av Natur .