Hur man bygger en rymd-tidskristall

För ett par månader sedan tittade vi på begreppet tidskristaller, en idé som lades fram av den nobelprisvinnande fysikern Frank Wilczek och hans kompis Al Shapere.

Dessa killar undersökte de grundläggande egenskaperna hos vanliga rumsliga kristaller och frågade varför liknande objekt inte kunde existera i tidsdimensionen istället.

En av de grundläggande egenskaperna hos rumskristaller är att de bildas när ett system sjunker till sitt lägsta möjliga energitillstånd. De är inte resultatet av att tillföra energi till ett system, utan av att ta bort det. Allt av det.

En annan grundläggande egenskap är att när dessa objekt når sin lägsta energikonfiguration bryts deras symmetri. Istället för att vara likadana i alla riktningar, som fysikens lagar, blir dessa föremål likadana i endast ett fåtal riktningar. Det är denna symmetribrytande och den periodiska struktur den producerar som definierar kristaller.

Wilczek och Shapere hävdade övertygande att det inte finns någon anledning till varför liknande periodiska strukturer inte skulle kunna existera i tid. Och de sa att att hitta dem skulle ge fysiker ett nytt sätt att studera symmetribrytningsprocessen och fysikens lagar bakom den.

Det fanns dock bara ett problem. De här killarna hade inte räknat ut hur man bygger en tidskristall.

Det förändras idag med arbetet av Tongcang Li vid University of California, Berkeley och några kompisar som säger att de har räknat ut hur man gör det. Dessa killar säger att de vet hur man skapar ett objekt i dess lägsta energitillstånd som visar periodisk struktur både i rum och tid - en rum-tid-kristall.

Deras idé är anmärkningsvärt enkel. Deras rymd-tidskristall består av ett moln av berylliumjoner fångade i ett cirkulärt elektromagnetiskt fält. Jonerna stöter bort varandra naturligt och bildar så spontant en cirkel. Det är en typ av rumslig jonkristall, något fysiker har lekt med i flera år.

Men om Wilczek och Shapere har rätt, borde denna ring av joner rotera, även när den kyls nästan till absolut noll. En sådan roterande ring är periodisk både i rummet och i tiden och blir sålunda en rum-tid-kristall.

Idén med en permanent roterande ring kan ha obekväma paralleller med en evighetsanordning. Men en rymd-tidskristall bryter inte mot några fysiklagar. Det beror på att det finns i sitt lägsta energitillstånd och därför inte kan utföra arbete – energi kan inte utvinnas från detta system även om det rör sig.

Det är mer än en ren nyfikenhet. En anledning till att rymd-tidskristaller är intressanta är att deras periodicitet i tid gör dem till naturliga klockor. Så det borde finnas gott om människor som är mer än en gång intressant att göra en.

Och det borde vara förr snarare än senare. Tongcang och cos rymdtidskristall borde vara möjlig att göra nu med hjälp av toppmoderna jonfällor. De vill inte att någon ska stjäla en marsch mot dem så det finns en god chans att Tongcang och co bygger en nu. Kanske har de en rumtidskristall i sitt labb nu.

Om så är fallet borde vi läsa detaljerna om den första rymdtidskristallen någon gång under dagarna och veckorna som kommer.

Ref: arxiv.org/abs/1206.4772 : Rymdtidskristaller av fångade ton

Dölj