Ett team från TU Dortmund University lyckades nyligen ta fram en mycket hållbar tidskristall som levde miljontals gånger längre än vad som kunde visas i tidigare experiment. Genom att göra det har de bekräftat ett extremt intressant fenomen som Nobelpristagaren Frank Wilczek postulerade för runt tio år sedan och som redan hade hittat sin väg in i science fiction-filmer.
Resultaten har publicerats i Nature Physics .
Kristaller eller, för att vara mer exakt, kristaller i rymden, är periodiska arrangemang av atomer över stora längdskalor. Detta arrangemang ger kristaller deras fascinerande utseende, med släta facetter som i ädelstenar.
Eftersom fysiken ofta behandlar rum och tid på en och samma nivå, till exempel inom speciell relativitetsteori, postulerade Frank Wilczek, fysiker vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) och vinnare av Nobelpriset i fysik, 2012 att förutom att bl.a. kristaller i rymden, det måste också finnas kristaller i tiden.
För att detta ska vara fallet, sade han, måste en av deras fysiska egenskaper spontant börja förändras periodiskt i tiden, även om systemet inte upplever motsvarande periodiska störningar.
Att sådana tidskristaller kunde vara möjliga var föremål för kontroversiell vetenskaplig debatt i flera år – men det kom snabbt till biografen:Till exempel spelade en tidskristall en central roll i Marvel Studios film Avengers:Endgame (2019).
Från 2017 och framåt har forskare verkligen lyckats vid en handfull tillfällen att demonstrera en potentiell tidskristall. Detta var dock system som – till skillnad från Wilczeks ursprungliga idé – utsätts för en tidsmässig excitation med en specifik periodicitet, men som sedan reagerar med ytterligare en period dubbelt så lång.
En kristall som beter sig periodiskt i tiden, även om excitation är tidsoberoende, dvs konstant, visades först 2022 i ett Bose-Einstein-kondensat. Men kristallen levde i bara några millisekunder.
Dortmund-fysikerna under ledning av Dr Alex Greilich har nu designat en speciell kristall gjord av indiumgalliumarsenid, där kärnsnurrarna fungerar som en reservoar för tidskristallen. Kristallen belyses kontinuerligt så att en kärnspinnpolarisering bildas genom interaktion med elektronspinn. Och det är just denna kärnspinnpolarisering som sedan spontant genererar svängningar, motsvarande en tidskristall.
Status för experimenten för närvarande är att kristallens livslängd är minst 40 minuter, vilket är 10 miljoner gånger längre än vad som har visats hittills, och den kan potentiellt leva mycket längre.
Det är möjligt att variera kristallens period över stora intervall genom att systematiskt ändra de experimentella förhållandena. Det är dock också möjligt att flytta in i områden där kristallen "smälter", dvs. förlorar sin periodicitet.
Dessa områden är också intressanta, eftersom kaotiskt beteende, som kan upprätthållas under långa tidsperioder, då manifesteras.
Detta är första gången som forskare har kunnat använda teoretiska verktyg för att analysera det kaotiska beteendet hos sådana system.
Mer information: A. Greilich et al, Robust kontinuerlig tidskristall i ett elektron-kärnspinnsystem, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02351-6
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av TU Dortmund University
