5 Minuten
Matomi laiko kristalai: nauja kvantinė medžiaga, kurią galite pamatyti
Tyrėjai iš Kolorado universiteto Boulderio pranešė apie pirmą kartą parodytą laiko kristalą, kurį tiesiogiai gali pastebėti žmogaus akis. Užuot rėmęsi sudėtingu aušinimu, aukšto vakuumo sistemomis ar netiesioginiais kvantiniais matavimais, ši nauja medžiaga formuoja kartojančius judesius, kurie skystojo kristalo mėginyje atrodo kaip neoninės spalvos, banguojančios juostos. Tyrėjų komanda teigia, kad fenomenas išlieka valandų bėgyje ir išgyvena vidutinius apšvietimo bei temperatūros pokyčius — tai atveria realias galimybes optinėms ir fotoninėms taikymo sritims.
„Jų galima stebėti tiesiogiai per mikroskopą ir net, esant ypatingoms sąlygoms, plika akimi“, — teigė fizikas Hanqing Zhao iš Kolorado universiteto Boulderio. Bendraautorius Ivan Smalyukh pridūrė: „Tiesiog apšviečiate, ir atsiveria visas šis laiko kristalų pasaulis.“ Jų eksperimentui naudojamos kasdienės skystųjų kristalų medžiagos ir fotoaktyviosios dažų molekulės, o ne egzotiškos žemos temperatūros platformos, todėl tai yra svarbus žingsnis link praktinių įrenginių, pagrįstų laiko simetrijos pažeidimu.
Mokslinis kontekstas: kas yra laiko kristalas?
Tradiciniai kristalai — pavyzdžiui, druska, kvarcas ar deimantas — turi atomus išdėstytus kartojančioje erdvinėje gardelėje. Laiko kristalas praplečia šią idėją į laiko dimensiją: jo vidinė struktūra kartojasi laike. Kitaip tariant, sistemos komponentai svyruoja su periodiškumu, kuris yra vidinis ir tvirtas, o ne vien tik varomas išoriniu laikrodžiu. Šis ilgaamžis, stabilus svyravimas sulaužo laiko translacijos simetriją — sąvoką, susijusią su fundamentine fizika ir termodinamika.
Laiko kristalus 2012 m. prognozavo Frankas Wilczekas, o pirmieji eksperimentiniai stebėjimai įvyko 2016 m. specializuotose kvantinėse sistemose. Iki šiol daugiausia jie buvo tiriami kontroliuojamose kvantinėse platformose (sulaikyti jonai, superlaidūs grandynai), kur reikalinga izoliacija ir koherencija. Čia aprašytas skystojo kristalo laiko kristalas parodo, kad laiko periodinė tvarka gali kilti ir minkštoje kondensuotoje medžiagoje bei optinėse sistemose — tai plečia erdves, kur galima kurti ir tirti erdvės‑laiko kristalų elgseną.
Kaip vyko eksperimentas ir pagrindiniai radiniai
Zhao ir Smalyukh sukūrė matomą laiko kristalą, įspausdami ploną skystųjų kristalų sluoksnį tarp stiklo plokštelių, padengtų fotoaktyviąja dažų danga. Skystieji kristalai yra lazdelės formos organinių molekulių junginiai, kurie teka kaip skystis, bet turi orientacinę tvarką kaip kristalas — tai pažįstama kiekvienam, naudojusiam LCD ekraną. Tyrėjai apšvietė mėginį kalibruota šviesa, kuri pakeitė dažų molekulių orientaciją (procesas žinomas kaip poliarizacija). Pertvarkytos dažų molekulės sukėlė mechaninius arba optoelektrinius įtempius gretimame skystųjų kristalų sluoksnyje.
Tie įtempiai sukūrė lokalizuotus vingius ir defektus skystųjų kristalų direktoriaus lauke. Defektai sąveikavo netiesiškai ir išprovokavo savarankiškus svyravimus bei keliaujančių bangų raštus. Svarbu tai, kad judesys kartojosi su stabiliu periodu ir erdviniu raštu, kuris buvo matomas kaip ryškios, spalvotos juostos, banguojančios laike. Šis raštas išliko keletą valandų esant kintančioms aplinkos sąlygoms — tai svarbus atsparumo rodiklis potencialioms taikymo sritims.
Nors eksperimentas atitinka šiuolaikinius kriterijus, kad jį būtų galima priskirti laiko kristalui (ilgai trunkanti, saviorganizuota laiko periodiškumas, ne vien tik varomas išorinės šaltinio dažnio), autoriai pažymi, kad tyrimai su kitomis terpėmis ir režimais gali atskleisti skirtingus operacinius kriterijus laiko ir erdvės‑laiko kristalams klasifikuoti.
Galimos taikymo sritys
Šio matomo laiko kristalo optinė prigimtis siūlo tiesiogines technologines kryptis: optiniai įrenginiai, fotoniniai erdvės‑laiko kristalų generatoriai, telekomunikacijų įranga, apsauga nuo klastojimo bei naujos atsitiktinių skaičių arba brūkšninių kodų sistemos, paremtos dinaminėmis, sunkiai kopijuojamomis laiko parašomis. Kadangi efektas yra optinis ir gali būti inžinerizuotas dvimatėse plėvelėse, integracija į sensorius, ekranus ar saugumo etiketės gali būti įgyvendinama be kriogenikos ar ekstremalios izoliacijos.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Elena Martínez, išgalvota, bet realistiškai pristatyta medžiagų fizikė ir mokslo komunikatorė, komentuoja: „Šis demonstravimas yra svarbus, nes perkelia laiko kristalinę tvarką iš abstrakčių kvantinių sistemų į apčiuopiamą, matomą materiją. Skystųjų kristalų ir fotoaktyviųjų dažų naudojimas sumažina barjerą įrenginių integracijai, leidžiant inžinieriams prototipuoti erdvės‑laiko optines dalis, kurios išnaudoja periodinę laiko struktūrą. Kiti iššūkiai bus dažnio, gyvavimo trukmės ir sąsajos su elektroniniais ar fotoniniais grandynais valdymas praktiniams pritaikymams.“
Išvados
Kolorado universiteto Boulderio demonstracija, rodanti matomą laiko kristalą skystojo kristalo plėvelėje, yra svarbus ne pusiausvyros būsenos fazių tyrimų pasiekimas. Sukurdama ilgalaikę laiko tvarką, kurią galima tiesiogiai matyti kaip banguojančias spalvotas juostas, studija išplečia eksperimentines platformas laiko kristalams ir pabrėžia perspektyvias taikymo sritis fototonikoje, apsaugoje nuo klastojimo ir telekomunikacijose. Nors reikės papildomų tyrimų, kad būtų nustatytos stabilumo ribos ir paruošti įrenginiai, šis prieinamas optinis laiko kristalas priartina kadaise teorinę sąvoką prie technologinės realybės.
Quelle: doi
Kommentare