Αν και με το πρώτο άκουσμα οι «κρύσταλλοι χρόνου» παραπέμπουν σε μαγεία, στην πραγματικότητα είναι ορολογία της φυσικής στερεάς κατάστασης. Και δεν είναι τόσο μυστηριώδεις όσο δείχνει το όνομά τους. Μια ομάδα φυσικών κατασκεύασε τον πιο σταθερό κρύσταλλο χρόνου μέχρι σήμερα, θέτοντας παράλληλα το ερώτημα ‘σε τι θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα αυτά τα αντικείμενα;’
Ένας κανονικός κρύσταλλος είναι μια συμμετρική διαμόρφωση ατόμων που επαναλαμβάνεται σε κάθε κατεύθυνση. Ένας κρύσταλλος χρόνου είναι μια διαμόρφωση ατόμων που επαναλαμβάνεται τόσο στο χώρο όσο και στο χρόνο. Στην ουσία, ταλαντώνεται, αλλά δεν είναι ένας τύπος ταλάντωσης που θα περιμέναμε ή θα σκεφτόμασταν.
Οι κρύσταλλοι χρόνου προτάθηκαν για πρώτη φορά το 2012 από τον Frank Wilczek. Ο Wilczek έχει κερδίσει ήδη ένα βραβείο Νόμπελ και βρίσκεται σε μια πολλά υποσχόμενη διαδρομή για ένα δεύτερο, είτε με τους κρυστάλλους χρόνου είτε με τα αξιόνια – έναν τύπο σωματιδίων σκοτεινής ύλης που αναζητούν διάφορα πειράματα σε όλο τον κόσμο.
Στην ουσία οι κρύσταλλοι χρόνου είναι ένας νέος τύπος αυτοοργάνωσης στα στερεά. Ταλαντώνονται κατά κάποιο τρόπο όπως μπορούν να ταλαντωθούν οι χημικές αντιδράσεις Belousov–Zhabotinsk, χωρίς να κυριαρχούνται από την θερμοδυναμική συμπεριφορά της ισορροπίας. Δυστυχώς, στη φυσική το φαινόμενο δεν φαίνεται τόσο εντυπωσιακό όπως στη χημεία. Η αρχική ιδέα του Wilczek ήταν ότι ορισμένα υλικά θα μπορούσαν να ταλαντώνονται από μόνα τους, αλλά αποδείχθηκε ότι αυτό δεν είναι συμβατό με την διατήρηση της ενέργειας.
Το υλικό πρέπει να τροφοδοτείται με ενέργεια. Αλλά λίγα χρόνια αφότου ο Wilczek πρότεινε την ιδέα, τα πρώτα πειράματα κατάφεραν να δημιουργήσουν κρυστάλλους χρόνου. Σε τέτοια πειράματα η ενέργεια παρέχεται τυπικά με λέιζερ σε συγκεκριμένο είδος υλικού. Αυτά τα υλικά στη συνέχεια αποκρινόμενα αρχίζουν κάποιο είδος ταλάντωσης. Αυτή η ταλάντωση μπορεί να συνεχιστεί ακόμη και μετά την απενεργοποίηση των λέιζερ. Τώρα, αν διεγερθεί ένα υλικό με περιοδικό διεγέρτη και προκύψει περιοδική απόκριση, αυτό δεν προκαλεί έκπληξη. Ωστόσο είναι δυνατή η δημιουργία κρυστάλλων χρόνου χωρίς η παρεχόμενη ενέργεια να εμπεριέχει περιοδικότητα. Τότε προκύπτει αυτό που ονομάζεται «κρύσταλλος συνεχούς χρόνου». Ένας συνεχής κρύσταλλος χρόνου έχει τη δική του εσωτερική περιοδικότητα.
Κρύσταλλοι συνεχούς χρόνου έχουν δημιουργηθεί σε νέφη εξαιρετικά ψυχρών ατόμων, για παράδειγμα το 2022 από ερευνητές στο Αμβούργο της Γερμανίας (Observation of a continuous time crystal). Αυτά τα νέφη αποτελούνται συνήθως από μερικές δεκάδες χιλιάδες άτομα. Όταν τα άτομα ψύχονται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, δημιουργούν αυτό που ονομάζεται συμπύκνωμα Bose-Einstein. Αν το νέφος των ατόμων είναι αρκετά ψυχρό για να σχηματίσει συμπύκνωμα Bose-Einstein, αυτό σημαίνει ότι έχει κβαντικές ιδιότητες παντού – μπορεί να συμπεριφέρεται και σαν σωματίδιο και σαν κύμα. Στη συνέχεια οι ερευνητές το τροφοδότησαν με ενέργεια από ηλεκτρομαγνητικά κύματα κι αυτό ανταποκρίθηκε! Σ’ αυτό το παράδειγμα είδαν μια ταλάντωση στον αριθμό πυκνότητας σε συχνότητα μερικών χιλιοστών του δευτερολέπτου, που δεν είχε καμία σχέση με τη συχνότητα της ακτινοβολίας. Ιδού λοιπόν, ένας κρύσταλλος χρόνου. Αυτό που κάνει αυτούς τους κρυστάλλους χρόνου τόσο ενδιαφέροντες είναι ότι εμφανίζουν ένα εντελώς νέο φυσικό φαινόμενο, και προς το παρόν δεν γνωρίζουμε ακριβώς πού και πώς θα μπορούσε να βρει κάποια χρήσιμη εφαρμογή.
Oι ερευνητές Greilich et al στην πρόσφατη δημοσίευσή τους με τίτλο ‘Robust continuous time crystal in an electron–nuclear spin system‘ περιγράφουν το πείραμά τους στο οποίο κατάφεραν να παράγουν έναν κρύσταλλο χρόνου που διήρκεσε 40 ολόκληρα λεπτά. Αυτή η διάρκεια είναι πάνω από ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη σε σχέση με παλαιότερα παρόμοια πειράματα. Χρησιμοποίησαν έναν ημιαγωγό κατασκευασμένο από αρσενίδιο γαλλίου-ινδίου εμπλουτισμένο με πυρίτιο, σε θερμοκρασία περίπου 6Κ. ‘Βομβάρδισαν’ το υλικό με λέιζερ, οπότε οι καταστάσεις σπιν του υλικού άρχισαν να ταλαντώνονται με περίοδο περίπου 6 δευτερολέπτων. Και η ταλάντωση ήταν αξιοσημείωτα σταθερή. Παρατήρησαν επίσης ότι η περίοδος ταλάντωσης είναι πολύ ευαίσθητη στις αλλαγές του μαγνητικού πεδίου και της θερμοκρασίας. Γι ‘αυτό το λόγο, προτείνουν ότι τέτοια υλικά ίσως χρησιμεύσουν ως αισθητήρες με τους οποίους θα μπορούσε κανείς να συμπεράνει αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο ή την θερμοκρασία από τη συχνότητα ταλάντωσης.
Πηγή: physicsgg
