Tidskrystaller er fysikkens nyeste besynderlighed

Illustration: MI Grafik

Nobelprismodtageren Frank Wil­czek blev udsat for hård og berettiget kritik, da han for fem år siden argumenterede for, at man kunne forestille sig systemer, der vedbliver at svinge frem og tilbage mellem to tilstande, uden at de tilføres energi.

Han døbte sådanne systemer for tidskrystaller, fordi deres opførsel i tidsdomænet helt svarer til den måde, hvorpå almindelige krystaller kan karakteriseres i de tre rumlige dimensioner.

Frank Wilczeks oprindelige koncept fra 2012 kan illustreres på denne måde. Et system af partikler med dette periodiske mønster roterer, selv når det er i den laveste energitilstand, og er dermed også periodisk i tiden. Illustration: MI Grafik
En amerikansk forskergruppe foreslog ligeledes i 2012, at et sådant system kunne realiseres, hvor berylliumioner (blå) er indfanget i en cirkulær struktur. Når der påtrykkes et svagt magnetfelt (B), vil ringen rotere og udgøre en tidskrystal. Det blev dog senere vist, at sådanne systemer ikke kan eksistere, hvis de er i termisk ligevægt. Illustration: MI Grafik

Kritikken kom nok ikke helt bag på Wilczek, for da han lancerede tanken i 2012, sagde han:

»Sådanne systemer minder faretruende meget om evighedsmaskiner. Noget, som er lidt farligt at sige for enhver velanskreven fysiker.«

Læs også: Nobelprismodtager: »Tidskrystaller minder faretruende meget om evighedsmaskiner«

Andre forskere kunne da også vise, at Frank Wilczek – der på dette tidspunkt var tilknyttet Massachusetts Institute of Technology i USA, men i dag tilbringer en stor del af sin forskningstid ved Stockholms Universitet – tog fejl på visse områder. Men tanken var nu slet ikke så fjollet, som den måske kunne lyde.

To forskergrupper har nu fremstillet en form for tidskrystaller – godt nok ikke helt som beskrevet af Wilczek, men alligevel med meget besynderlige egenskaber, som de fleste fysikere indtil for få år siden ville have forsvoret fandtes.

Ingen ved endnu, om tidskrystaller kan bruges til noget af praktisk relevans. Men det er måske værd at minde om, at tidskrystaller på det punkt deler en væsentlig egenskab med en anden opfindelse, laseren, som ingen heller kunne forestille sig anvendelser for, da den så dagens lys i 1960. Derfor blev laseren af mange beskrevet som en løsning på jagt efter et problem.

Lasere og tidskrystaller er begge systemer langt fra termisk ligevægt. Og som en af laserpionererne, nobelprismodtageren Arthur Schaw­low, har sagt, var netop dette forhold en konceptuel blokering, som gjorde, at laseren først blev opfundet mere end 40 år efter, at Albert Einstein i princippet havde formuleret det teoretiske fundament i 1917.

Læs også: En god idé på bænken banede vej for laseren

Vedika Khemani fra Harvard University er en af de unge forskere, der har ydet væsentlige bidrag til forståelsen af tidskrystaller i de senere år.

Hun har forklaret, at det mest interessante omkring tidskrystaller i virkeligheden er, at de viser, at der sker meget interessante fænomener i systemer lang fra termisk ligevægt.

»De åbner for en helt ny verden, som fysikerne nu kan drømme om,« har hun sagt til New Scientist.

Symmetri er sagen

Frank Wilczeks tanke om eksistensen af tidskrystaller var på sin vis både meget overraskende og meget logisk i al sin enkelhed.

Et af de væsentligste begreber inden for fysik er symmetrier.

Hvis et objekt ser uændret ud, selv om det roteres, besidder det en form for symmetri. Roterer man en kugle, ser den ens ud – ligegyldigt hvilken vinkel man ser den fra. En terning skal man rotere 90, 180, 270 eller 360 grader, for at den ser ens ud. Den siges at have 4-tallig rota­tionssymmetri.

Men symmetri er også knyttet til de fysiske love.

En fodbold er en fodbold

En fodbold er en fodbold, både når den ligger i midtercirklen på fodboldbanen og i målmaskerne, og den er en bold både i første og anden halvleg. Og uanset hvor den er på banen, og hvad enten det er i begyndelsen eller slutningen af kampen, er dens opførsel beskrevet af de samme fysiske love og ligninger.

Fysikerne siger, at der er translationssymmetri med hensyn til rum og tid.

Som den noget oversete tyske matematiker Emmy Noether viste for ca. 100 år siden, fører disse symmetribegreber direkte til de kendte bevarelseslove for f.eks. energi og bevægelsesmængde. De siges at være invarianter knyttet til den pågældende symmetri.

Symmetrier kan dog blive brudt. Tager man udgangspunkt i en gas af molekyler, findes ingen foretrukken retning, og systemet har fuldstændig rotationssymmetri som kuglen.

Når gassen afkøles, kan atomerne i molekylerne danne et fast stof i form af en krystal med foretrukne retninger som terningen. Man siger, at der er sket et brud på den fuldstændige rumlige translationssymmetri.

Krystallen har en rumlig regelmæssighed, så hvis man flytter alle atomer i en foretrukken retning med præcis krystallens gitterafstand, så er krystallen uforandret. Hvis man flytter atomerne med en anden afstand, er krystallen forandret.

Rum og tid flettet sammen

Men i moderne fysik er rum og tid flettet godt og grundigt sammen, så det er nærliggende at forestille sig objekter, hvor symmetrien for den tidslige translation er brudt, så objektet gentager sig med en tidsmæssig regelmæssighed.

Sådanne objekter kunne man passende betegne tidskrystaller, mente Frank Wilczek, som tilmed også havde en idé til, hvordan man kunne realisere en tidskrystal.

Nogle vil måske mene, at et pendul, som svinger regelmæssigt frem og tilbage, så også er en tidskrystal. Men det er det ikke. Et pendul skal tilføres energi for at blive sat i gang. Denne energi kan igen trækkes ud af systemet, så den kan bruges til at udføre et arbejde.

Og i et praktisk system vil frik­tionskræfter bevirke, at pendulet på et eller andet tidspunkt går i stå.

En tidskrystal er derimod i den laveste mulige energitilstand. Den skal ikke tilføres energi for at blive sat i gang, og man kan heller ikke trække energi ud til at udføre et arbejde.

Det er den egenskab, der betyder, at en tidskrystal ikke er en evighedsmaskine af hverken første orden (den producerer ikke energi), anden orden (energien kan ikke konverteres, så den kan udføre et mekanisk arbejde) eller tredje orden (den kan kan ikke bruges til at lagre energi).

Man kan måske sige, at den er en evighedsmaskine af fjerde orden, idet den er i en form for konstant bevægelse. Men det bliver så i givet fald kun et definitionsspørgsmål om, hvad man skal forstå ved en evighedsmaskine af fjerde orden.

Termodynamikken slår igen

Den første til at kritisere Frank Wilczek var teoretikeren Patrick Bruno fra European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, der seriøst argumenterede for, at Wilczeks tankeeksperimenter for tidskrystaller ikke stod distancen.

Haruki Watanabe fra University of California, Berkeley, og Masaki Oshikawa fra University of Tokyo bankede tilsyneladende sømmet i bund i tidskrystallernes ligkiste i 2015, da de beviste, at der findes et såkaldt ‘no-go-teorem’, der forbyder tidskrystaller, der er i termisk ligevægt med omgivelserne.

Wilczeks oprindelige forslag og tanke var med andre ord en termodynamisk umulighed.

Men der var jo et smuthul. Hvad med systemer, der ikke var i termisk ligevægt?

Det er her, Vedika Khemani kommer ind i billedet. Da Watanabes artikel blev offentliggjort, var hun på Princeton University beskæftiget med studier af et fænomen, som kaldes many-body-localisation, hvor dele af et system kan påvirke hinanden over relativt store afstande.

Inden for dette forskningsområde kan man ganske svagt påvirke et system på en regelmæssig måde, så det svinger mellem to tilstande.

I princippet kunne man forestille sig, at et sådant system kunne være en beholder med gas, hvor molekylerne skiftevis befandt sig i den højre del af kammeret og i den venstre del af kammeret, uden at molekylerne efterhånden ville fordele sig jævnt i kammeret.

Ydermere er systemet specielt ved, at den frekvens, hvorved systemet skifter tilstand, ikke er den samme som den frekvens, man påvirker systemet med. Hvis du ganske svagt skubber til en gynge med et barn, så vil der være overensstemmelse mellem gyngens frekvens og den frekvens, du skubber med. Det var der ikke i Khemanis teori og tankeeksperiment.

En præcis opskrift

Norman Yao fra University of California, Berkeley, tog bolden op, og i en artikel, som blev lagt på preprintserveren arXiv i begyndelsen august 2016 gav han en præcis opskrift på, hvordan man kunne lave en tidskrystal ud fra systemer baseret på many-body-localisation.

Tidskrystal bestående af ti ytterbiumioner (her er kun vist syv) er fremstillet ved University of Maryland. Når ionerne er langt fra termisk ligevægt i forhold til deres omgivelser, kan de med en laser bringes i en tilstand, hvor alle ioner påvirker hinanden, så deres spin på samme tid og regelmæssigt skifter mellem to tilstande. Systemets frekvens er robust over for variationer i den måde, påvirkningen udføres på, og systemet optager ikke energi fra påvirkningen. Selv om det ikke helt følger de oprindelige tanker om tidskrystaller, er systemet dog konceptuelt helt forskelligt fra et pendul, der også har et periodisk tidssignal. Da systemets lige desuden ikke kendes fra andre systemer, berettiger det efter nogles opfattelse til betegnelsen tidskrystal. Illustration: MI Grafik

Efter kun halvanden måned kunne man på Chris Monroes laboratorium ved University of Maryland virkeliggøre denne opskrift med ytterbiumioner. En måned senere kunne Mikhail Lukins forskningsgruppe på Harvard University lave noget tilsvarende i diamant, der indeholder urenheder i form af nitrogen-vakance-centre, hvor et kulstofatom her og der i krystallen er erstattet af et nitrogenatom og en defekt.

Monroes og Lukins resultater blev publiceret samtidig af Nature i marts i år.

Juryen voterer

Begge systemer er karakteriseret ved, at de svinger mellem to tilstande med en frekvens, der ikke er den samme, som frekvensen for påvirkningen af systemet. Påvirkningen er desuden så svag, at systemerne ikke tilføres energi.

Men er det tidskrystaller? Frank Wilczek, som ikke kendte noget til eksperimenterne, før de blev offentliggjort, ser det som en bekræftelse på sine oprindelige tanker.

Haruki Watanabe, der nu er tilknyttet University of Tokyo, har en anden holdning. Han mener, at fænomenet skal opstå af sig selv for at berettige til betegnelsen tidskrystal.

Der udestår også flere eksperimenter til at afgøre, om disse systemer eller tilsvarende kan svinge i al evighed, eller til ‘Solen brænder ud’, som statsminister Lars Løkke Rasmussen udtrykte det i forbindelse med udstedelsen af et politisk løfte i 2015.

Under alle omstændigheder begynder det nu med at strømme ind med artikler om tidskrystaller på arXiv. Og minsandten om ikke forskningsområdet, som eksperimentelt har mindre end et år på bagen, allerede har fået sin første større oversigtsartikel, som slutter med bemærkningen om, at tidskrystaller er attraktive kandidater som kvantesimulatorer og inden for kvante-måleteknologi.

»Vi vil opleve nye fænomener, som er vanskelige at opdage inden for sædvanlig faststoffysik, eller som har været overset hidtil,« spår Krzysztof Sacha og Jakub Zakrzewski fra Jagiellonian University i Krakow, Polen.

Tiden vil vise, om de får ret.

Emner : Fysik
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten