Csapdába zárt idő: időkvázikristályt hoztak létre egy gyémánt belsejében
Forradalmi áttörés a kvantumfizikában: a Washingtoni Egyetem kutatói a világon elsőként állítottak elő kvázikristály-szerkezetű időkristályt, amely új dimenziókat nyithat meg a jövő technológiái előtt.
Az idő mint kristály?
Az időkristály első hallásra úgy hangzik, mintha egy sci-fi filmből szabadult volna, ám a tudományos világban immár kézzelfogható realitás. A hagyományos kristályokban az atomok térbeli rend szerint ismétlődnek – gondoljunk például a sókristályra –, ezzel szemben az időkristályban az elemi részecskék viselkedése periodikusan ismétlődik időben, még akkor is, ha a rendszerbe nem viszünk be új energiát. Ez a „mozgás mozdulatlanságban” paradoxonját testesíti meg.
A koncepciót 2012-ben vetette fel Frank Wilczek, a Nobel-díjas elméleti fizikus, ám ötletét sokáig lehetetlennek tartották. A kétkedés ellenére 2016-ban laboratóriumi körülmények között már létrehozták az első időkristályt. Azóta világszerte több tucat kutatóintézet dolgozott különféle megvalósításokon, de mindeddig egy fontos mérföldkő hiányzott: a kvázikristályos struktúra elérése.
Kvázikristály: a tökéletlen tökéletesség
A kvázikristályok különleges szilárd anyagok: nem úgy ismétlődnek, mint a hagyományos kristályok, de nem is teljesen rendezetlenek, mint az üvegszerű (amorf) anyagok. Az atomi mintázatok nem periodikusak, hanem például a Penrose-csempéhez hasonlóan aperiodikus, de determinisztikus szerkezetet alkotnak – szabály van bennük, ismétlés nincs. Az első kvázikristály felfedezéséért Daniel Shechtman 2011-ben Nobel-díjat kapott.
Időkvázikristály születése gyémántban
A Chong Zu vezette kutatócsoport milliméteres gyémántszemcséken dolgozott. A kristályokat gyorsított nitrogénatomokkal bombázták, amelyek kiszakították a szénatomokat a rácsból, üregeket hagyva maguk után. Ezekben az üregekben elektroncsapdák alakultak ki, amelyek kvantummechanikai értelemben különleges, izolált környezetet biztosítanak a további vizsgálatokhoz.
A kutatók mikrohullámú impulzusokkal hozták mozgásba az elektronokat, és sikerült elérni, hogy a rendszer önállóan, külső energiaforrás nélkül is folytassa az időbeli oszcillációt – ez a kvázikristályos elrendezésű időkristály.
Mit jelent mindez?
A kvázikristályos időkristály elsőként ötvözi az időbeli periodicitást és a térbeli kvázirendezettséget, és ezáltal több lehetséges technikai áttörést is magában hordoz:
– Kvantum-érzékelés: mivel az időkvázikristály érzékeny a környezeti zavarokra, ultraérzékeny kvantumszenzor lehet belőle, például agyhullámok vagy gyenge mágneses mezők detektálására.
– Kvantummemória: a kvantumszámítógépek egyik legnagyobb problémája a kvantumállapotok instabilitása. Az időkvázikristály hosszan fennmaradó oszcillációi révén stabil tárolási lehetőséget kínálhat – egyfajta „kvantum-RAM”-ként működhet.
– Időmérés: mivel a belső rezgések rendszeresek, pontos időmérő eszközök is fejleszthetők a segítségével.
Chong Zu szerint bár még hosszú az út a gyakorlati alkalmazásokig, ez az áttörés új korszakot nyithat a kvantumtechnológia világában:
„Ez az első döntő lépés a kvantuminformáció hosszú távú, stabil tárolása felé.”
Időkristályok: a jövő kvantumvilágának sarokkövei?
Bár az időkristály nem az örökmozgó tudományos verziója, hiszen energiát nem termel, de kétségkívül valami radikálisan újat képvisel. A kvantummechanika egyik legérdekesebb gyakorlati példája, amely egyszerre képes forradalmasítani a memóriát, az időmérést, sőt akár az orvosi diagnosztikát is.
A kvantumtechnológia jövője ezzel az áttöréssel még közelebb került – a jövő már nem a sarkon túl van, hanem egy gyémánt mélyén: ott ketyeg az idő.
