Vječna promjena bez energije: vremenski kristal je konačno postao stvaran

Moderator: Socrates
Avatar
SmokingMan
Sleepless FM
Sleepless FM
Reactions: 5793
Postovi: 4144
Pridružen/a: 27 jul 2020, 17:06
Lokacija: Always cheerful, even when i asleep.

Vječna promjena bez energije: vremenski kristal je konačno postao stvaran

Post Postao/la SmokingMan »

slika



slika


Poput mašine za perpetualno kretanje, vremenski kristal vješno prelazi između stanja bez konzumiranja energije. Fizičari tvrde kako su unutar kvatnog računara kreirali novu fazu materije.Istraživači Googla u saradnji sa fizičarima sa Stenforda, Princetona i drugih univeritete su izjavili kako su koristili Google.ov kvatni kompjuter kako bi demonstrirali manifestaciju pravog vremenskog kristala. Osim toga, zasebni istraživački tim je ranije ovog mjeseca tvrdio kako je unutar dijamanta uspio stvoriti vremenski kristal.

Nova faza materije koju su fizičari duži niz godina nastojali ostvariti, je vremenski kristal čiji se dijelovi kreću u pravilnom ponavljajućem ciklusu, održavajući tu stalnu promjenu bez trošenja energije.

“Poslijedice ovoga su nevjerovatne, tako što za postizanje ovoga izbjegavate drugi zakon termodinamike, koji kaže kako se nered (entropija) uvijek povećava.”- izjavio je Ridrih Mesner, direktor instituta Maks Planck, sa odjela za kompleksne sisteme fizike u Drezdenu, ujedno i ko-autor Google.ove studije.

Vremenski kristali su takođe i prvi objekti koji spontano prekidaju “prijevodne vremenske simetrije.”, uobičajeno pravilo tokom kojeg će stabilni objekti tokom vremena ostati isti. Vremenski kristal je stabilan i stalno mjenjajući, sa posebnim momentima koji dolaze pri periodičnim vremenskim intervalima.

Vremenski kristali su nova kategorija faze materije, proširiujući definiciju o tme što to u suštini predstavlja fazu. Sve ostale poznate faze, poput vode ili leda, su u termalnoj ravnoteži. Njihovi sastavni atomi su se stavili u stanje sa najnižom energijom, dopuštenom teperaturom okoline, i njihova svojstva se ne mjenjaju s vremenom. Vremsnki kristal je prva faza “izvan ravnoteže”; ima uređenje te savršenu stabilnost, uprkos tome što se nalazi u pobuđenom i evoluirajućem stanju.

Kemani, Mesner, Sondi sa univerzitea Princeton i Ahiles Lazaridis sa Lugburg univerziteta u Ujedinjenom Kraljevstvu su 2015.god otkrili mogućnost vjerovatnosti faze te opisali njene ključne karakteristike; suparnička grupa fizičara predvođena Četanom Najakom iz Mikrosoftovog laboratorija Station Q su ga ubrzo nakon toga okaraterisali kao vremenski kristal.

Naučnici su se u proteklih pet godina utrkivali kako bi stvorili vremenski kristal, međutim, prethodni testovi, koji su bili uspješni pod određeim uvjetima, nisu zadovoljili sve kriterije potrebne za utvrđivanje postojanosti vremenskog kristala. “Postoje dobri razlozi da razmislimo o tome zašto niti ijedan od prethodno sprovedenih eksperimenata nije bio u potpunosti uspješan, međutim, kvatni google.ov računar bi bio pogodan kak obi bili u mogućnosti da dobijemo bolje rezultate od svih predhodnih eksperimenata.” – izjavio je Džon Čakler, fizičar kondenizirane materije sa univerziteta Oksford, koji nije bio uključen u novija istraživanja.

Google.ov tim za kvatno računanje je 2019.godine došao na naslovnice štampe kada su izveli prve proračune, za koje se smatralo kako ih obični računari ne mogu izvesti. Taj zadatak je osmišljen kako bi se demonisrirala moć kvatnog računala, tako da je tada novi demo kristala predstavljao jedno od prvih nastojanja u kojem je kvatno računalo radilo u punom pogonu.

Sa jučerašnjim pretiskom, koji je poslan na objavljivanje, i drugim nedavno obajavljenim rezultatima, straživači su uspjel iispuniti kvotu za kvatna računala. U radu, objavljenom 1982. Godine, Ričard Fejman je tvrdio kako bi uređaji mogli biti upotrebljeni za simuliranje čestica bilo kojeg zamislivog kvatnog sistema. Vremenski kristal je predstavljao primjer te vizije. On predstavlja kvatni objekat kojeg sama priroda vjerovatno nikada ne bi stvorila, s obzirom na njegovu složenu kombinaciju delikatnih sastavnih dijelova. Ljudska mašta je uspjela dočarati recept, potaknut najzahtjevnijim zakonima prirode.


Oživljavanje jedne nemoguće ideje

slika


Nobelom nagrađeni fizičar Frenk Vilček je 2012. godine je došao na ideju dok je student podučavao običnim (prostornim) kristalima. “Ukoliko razmišljate o kristalima u Svemiru, onda je takođe prirodno razmišljati o klasifikaciji ponašanja kristala u vremenu.” – izjavio je on.

Zamilsimo dijamant, kristalnu fazu nakupine atoma ugljika. Tom nakupinom upravljaju iste jednadžbe koje važe u čitavom Univerzumu, no on ipak ima oblik koji ima periodične prostorne varijacije, sa atomima pozicioniranim na tačkama rešetke. Fizičari tvrde kako on “spontano prekida simetriju prostornog prevođenja.” Samo stanja minimalne energije na ovaj način spontano prekidaju simetrije.

Vilček je zamislio jedan višedjelni objekat u ravnoteži, sličan dijamantu. Međutim, ovaj objekat ruši simetriju vremenskog prelaza: on se podvrgava periodičnom kretanju, vraćajući se pri regularnim intervalima u svoju početnu konfiguraciju.

Vilček je predložio vremenski kristal koji se uveliko razlikovao recimo od zidnog sata, objekta koji se takođe povinuje periodičnom kretanju. Kazaljke na satu troše energiju, i zaustavljaju se kada se baterija isprazni. Vilčekov vremenski kristal ne zahtjeva bilo kakav unos energije, i on se kao takav mijenja neograničeno, budući da se sistem nalazi u svom ultra-stabilnom stanju ravnoteže.

Ove godine naučinici na Princetonu su razmišljali o nečemu drugom. Kemani i njeni doktorski savjetnik, su proučavali lokalizaciju mnogih tijela, nadogradnje Andersonove lokalizacije, nobolenom nagrađenog otkrića iz 1958.godine, gdje se jedan elektrom može zaglaviti u mjestu.

Jedan elektron je navjerodostojnije opisan kao jedan talas, čiji visina na različitim mjestima daje vjerovatnost otkrivanja tamošnje čestice. Talas se vremenom prirodno širi, međutim, Filip Anderson je otkrio kako slučajnost – kao što je prisutnost slučajnih defekata u kristalnoj rešetki – može uzrokovati raspad talasa elektrona, destriktivno ometajući samog sebe, zakazujući svugdje osim u maloj regiji, gdje se čestica obično lokalizuje.

Ljudi su decenijama smatrali kako će interakcije između više čestica uništiti efekat smetnji. Ipak su 2005 godine tri fizičara sa Princetona i Univerziteta Kolumbija pokazali kako jednodimenzionalni lanac kvatnih čestica može doživjeti lokalizacije mnogih tijela; Odnosno, da sva tijela zaglave u fiksnom stanju. Ovaj fenomen bi mogao postati prvi sastojak vremenskog kristala.

Zamislite čestice u jednom nizu, od kojih svaka ima magnetnu orijentaciju (ili “spin”) koja je usmjerena prema gore, dole, ili u nekoj vjerovatnoći u oba smjera. Sada zamislite da na početku prva četiri spina budu usmjerenja prema: gore, dole, dole, gore. Ovi će spinovi će kvatno-mehanički fluktuirati, te se brzo poravnati, ukoliko to budu u mogućnosti. Međutim, nasumične smetenje koje se dešavaju između njih moge uzrokovati da se niz čestica zaglavi u njihovoj određenoj konfiguraciji, nesposobni da se preurede ili smjeste u termalnu ravnotežu. Tako da će se u ovom slučaju u nedogled biti u smjerovima: gore, dole, dole, gore.

Sondi i saradnici su otkrili kako sistemi lokalizacija mnogih tijela mogu pokazivati posebnu vrstu redoslijeda, koje bi moglo postati drugi ključni sastojak vremenskog kristala; ako okrenete sve spinove unutar sistema ( dole, gore, gore, dole) dobit će te drugo stabilno stanje mnogih lokaloziranih tijela.

Krajem 2014. godine, Kemani se na Max Planck instituta u Dresdenu pridružio Sondi, gdje su se Mesner i Lazaridis već specijalizirali za tzv; sisteme sa povremenim pogonom, poput kristala koji se stimulira laserom određene frekvencije, gdje intenzitet lasera povremeno varira.

Mesner, Lazaridis, Sondi i Kemani su proučavali šta se događa kada se sistemi mnogih lokaliziranih tijela periodično pokreću na ovaj način. Kroz proračune i simulacije su otkrili da kada laesrom na određen način “zagolicate” lolalizirani lanac spinova, oni će se okretati naprijed- natrag, krečući se između dva različita lokaliziranja stanja tijela u ciklusu koji se ponavlja zauvijek, bez uplitanja neto energije lasera.

Oni svoje otkriće nazivaju fazom Pi spin stakla. Grupa istraživača je ovaj koncept nove faze materije prijavila u predspisu 2015. godine, međutim, riječ “vremenski kristal” se nijgdje nije pojavljivao u njemu. Autori rada su ovaj termin dodali u jednoj dopunjenoj verziji studije, objavljene u žurnalu Physical Review Letters, u junu 2016. godine, zahvaljujući stručnosti recezenta i njegovom prepoznavanju povezanosti između faze Pi-spina stakla te vremenskog kristala.

Još nešto značajno se dogodilo tokom perioda između izlaska predspisa i njegovog objavljivanja; naime Najak, koji je bio bivši Vičekov maturant, te saradnici Dominik Els i Bela Bauer, su u predspisu Marta 2016. Godine predložili postojanje objekata zvanih “Floketov remenski kristala”.

Floketovi vremenski kristali pokazuju ponašanje onako kako je zamislio Viček, ali samo dok se povremeno pokreće uz pomoć vanjskog izvora energije. Ova vrsta kristala zaobilazi neuspjeh Vičekove izvorne ideje. Budući da se radi o sistemu više lokaliziranih tijela, njegovi spinovi ili drugi dijelovi se ne mogu ustaliti u ravnoteži; oni su zaglavljeni tamo gdje jesu. Međutim, sistem se takođe ne zagrijava, uprkos tome što je izložen djelovanju lasera ili nekom drugom pogonu. Umjesto toga, sistem neograničeno kruži natrag i naprijed, tj.između dva lokaliziranja stanja.

Laser je već za niz spinova prekinuo simetriju između svih trenutaka u vremenu, namećući umjesto toga “diskretnu simetriju vremenskog prevođenja” – odnosno, identične uvijete tek nakon svakog periodičnog ciklusa lasera. Ali onda, svojim okretanjem naprijed - nazad, niz spinova dodatno razbija diskretnu simetriju translacije vremena koju nameće laser.

Kemani i ko-autori su ovu fazu okaratkterizirali u detalje, gdje su simtrija i spontano kršenje simetrije fudamentalni koncepti fizike. Osim što su ponudili terminologiju, oni su pružili nove aspekte razumjevanja, tako da su u određenoj malo generalizirali pojam Floketovog vremenskog kristala izvan faze Pi-spin stakla (Naglašavajući kako je određena simerija koju on ima nije neophodna). Nihov rad je objavljen u Physical Review Letters u Augustu 2016. godine, dva mjeseca nakon što su Kemani i saradnici objavili teoretsko otkriće prvog primjera faze. Obje naučne grupe tvrde kako su otkrile ovu ideju. Od tada su se suparničke grupe istraživača utrkivali u sprovođenju ideje vremenskog kristala u stvarnost.


Savršena platforma


Najakov tim se u istraživanju pridružio Krisu Monroou sa Univerziteta Maryland, koji je koristio elektromagnetna polja kako bi zarobio i kontrolisao jone. Prošlog mjeseca, grupa je u žurnalu Science objavila kako su uspjeli preokrenuti zarobljene jone u jedne približne ili pretermalne vremenske kristale. Njegove ciklične varijacije (u ovome slučaju, joni skaču između dva stanja) se praktički razlikuju od onih jona kod pravog vremenskog kristala. Ipak, za razliku od dijamanta, ovaj pretermalni vremenski kristal nije vječan; Ukoliko se eksperiment sprovodi dovoljno dugo, sistem bi se postepeno uravnotežio a njegovo čiklično ponašanje bi se prekinulo.

2019. godine, Google je objavio kako je njihov kvatni računar Sycamore izvršio zadatak unutar vremenskog perioda od 200 sekundi, što bi kod konvencionalnog računara zahtjevalo 10.000 godina. Čitajući objavni papir, Mesner je izjavio kako su njegove kolege došle do zaključka kako procesor kvatnog računara Sycamore kao svoje temeljne gradivne elemente sadrži upravo ono što nam je potrebno za realizaciju Floketovog vremenskog kristala.

Sycamoreovi programeri su takođe nastojali da učine nešto sa svojim strojem, koji je bio previse sklon greškama da bi pokrenuo kriptografiju i algoritme pretraživanja dizajnirane za punorpavna kvatna računala. Kada su se Kemani i kolege obratile Kostji Kečedžihu, teoretičaru u Google.u, on i njegovi tim su se ubrzo dogovorili oko saradnje na prijektu vremenskog pristala. “Moj rad, ne samo sa diskretnim kristalima vremena već i sa drugim objektima, je nastojanje da se naš processor iskoristi kao naučni alat za proučavanje nove fizike ili hemije.” – izjavio je Kečedžih

Kvatni računari se sastoje od “kubita” – osnovnih kontrolisanih kvatnih čestica, od koje svaka sadrži dva vjerovatna stanja, označena kao 0 i 1. Kada kubiti međusobno komuniciraju, oni zajedno mogu “žonglirati” sa eksponencijalnim brojem istovremenih mogućnosti, pružajući time prednosti kod računanja. Google.ovi kubiti se sastoje od superprovodnih aluminjskih traka. Svaka od njih ima dva moguća energetska stanja, koja se mogu programirati da predstavljaju spinove usmjerene prema gore ili dole. Za demo Kečedžih i saradnici su koristili čip sa 20 kubita koji su poslužili kao vremenski kristali.

Možda je glavna prednost stroja u odnosu na konkurentne strojeve njegova sposobnost podešavanja jačine interakcije između njegovih kubita. Ova prilagodljivost je ključna shodno da bi sistem mogao postati vremenski kristal: Programeri su mogli nasumično odabrati jačinu interakcija kubita, tako da bi ta nasumičnost mogla stvoriti destruktivne smetnje koje su nizu spinova omogućile da postignu lokalizaciju mnogih tijela.

Istraživači su spinovima dali početnu konfiguraciju, kao što su: gore, dole, dole gore, itd. Izvođenjem desetaka hiljada demonstracija za svaku početnu konfiguraciju te mjerenja stanja kubita nakon različite količine proteklog vremena pri svakom pokretanju, istraživači su uslijed procesa mogli primjetiti kako se sistem spinova okreće naprijed- nazad.

Istraživači su otkrili kako mikrotalasni impusli moraju okretati spinove negdje u približnom uglu od 180 stepeni, kako bi se ti isti spinovi vratili u njihovu početnu orijentaciju nakon dva impulsa. Nadalje, spinovi nikada nisu apsorbirali ili rasipali neto energiju dobivenu iz mikrotalasa, ostavljajući poremećaje sistema netaknutim.

Tim sa sjedištem na tehnološkom univerzitetu Delft u Holandiji su 5. Juna izvjestili kako su izgradili Floketov vremenski kristal, ne kroz korištenje kvatnog procesora već iz nuklearnih spinova atoma ugljika u dijamantu. Delftov sistem je manji i ograničeniji u odnosu na vremenski kristal, ostvaren kroz Google.ov kvatni računar.

Nije jasno da li bi Floketov vremenski kristal mogao imati prkatičnu primjenu. Međutim, njegova stabilnost izgleda obećavajuća Mesneru. “Nešto što je stabilno poput ovoga je neobično, a posebne stvari svakako mogu biti korisne.”, izjavio je on. Stanje ovog vremenskog kristala bi moglo biti samo koncepcijski korisno. To je prvi i najjednostavniji primjer faze izvan ravnoteže, međutim ,istraživači sumnjaju kako da je više takvih fizičkih stanja ostvarivo.

Najak tvrdi kako vremenski kristali osvjetljavaju nešto duboko u prirodi vremena. Koliko god pokušavali tretirati (vrijeme) samo kao drugu dimenziju, ono će uvijek biti neka vrsta izdvojenosti.” Ajnštajn je načinio najbolji pokušaj ujedinjena, tkajući trodimenzionalni prostor zajedno s vremenom u jednu četverodimenzionalnu tkaninu: prostor-vrijeme. Međutim, čak i u njegovoj teoriji jednosmjernost vremena je ostala jedinstvena pojava.

Čalker tvrdi da to vrijeme i dalje samo po sebi ostaje izdvojeno. Vilčekov kristal bi bio parvi primjer ujedinjenja vremena i prostora. Prostorni kristali su u ravnoteži i stim u vezi prekidaju kontinuiranu prostorno-prelaznu simetriju. Otkriće kako se, samo diskretna simetrija vremenskog prelaza može razbiti posredsrvom vremenskih kristala, pruža novi ugao posmatranja razlike između prostora I vremena.
1
1 slika
slika slika

Natrag na “Posljednja naučna otkrića”