5 Minutės
Matomi laiko kristalai: nauja kvantinė medžiaga, kurią galima pamatyti
Kolorado universiteto Boulderio mokslininkai pranešė apie pirmąjį atvejį, kai laiko kristalas buvo užfiksuotas taip, kad jį tiesiogiai gali matyti žmogaus akis. Vietoje sudėtingo aušinimo, aukšto vakuumo sistemų ar netiesioginių kvantinių matavimų, ši medžiaga formuoja besikartojantį judesį, kuris skystojo kristalo mėginyje atrodo kaip neoninės spalvos banguojančios juostos. Tyrėjų teigimu, šis fenomenas išlieka valandomis ir atsparus vidutinėms šviesos bei temperatūros kaitoms — tai atveria realius kelius optiniams ir fotonikos pritaikymams.
„Jų galima stebėti tiesiogiai per mikroskopą ir net, esant specialioms sąlygoms, plika akimi,“ teigė fizikas Hanqing Zhao iš Kolorado universiteto Boulderio. Bendraautorius Ivan Smalyukh pridūrė: „Tiesiog apšviečiame, ir visas šis laiko kristalų pasaulis atsiveria.“ Jų eksperimentas naudoja kasdienes skystųjų kristalų medžiagas ir fotoaktyvias dažų molekules, o ne egzotines žematemperatines platformas, todėl tai yra svarbus žingsnis link praktinių įrenginių, paremtų laiko simetrijos sulaužymo dinamika.
Mokslinis kontekstas: kas yra laiko kristalas?
Tradiciniai kristalai — pvz., druska, kvarcas ar deimantas — turi atomus išsidėsčiusius pakartotinėje erdvės gardelėje. Laiko kristalas šią idėją perkelia į laiko dimensiją: jo vidinė struktūra kartojasi laike. Kitaip tariant, sistemos komponentai osciluoja su sava, atsparia periodiškumu, nepriklausomu nuo išorinio laikrodžio. Ši pastovi, stabili osciliacija sulaužo laiko transformacijos simetriją, kuri siejasi su fundamentine fizika ir termodinamika.
Laiko kristalus 2012 m. prognozavo Frankas Wilczekas, o pirmieji eksperimentiniai stebėjimai įvyko 2016 m. specializuotose kvantinėse sistemose. Iki šiol laiko kristalai daugiausia buvo tiriami kontroliuojamose kvantinėse platformose (sulaikyti jonai, superlaidūs grandynai), kur izoliacija ir koherencija yra kritinės. Šiame tyrime parodytas skystojo kristalo laiko kristalas įrodo, kad periodinis laiko tvarkos panašumas gali atsirasti ir minkšto kondensuoto kūno bei optinėse sistemose — taip plečiant erdves, kuriose galima projektuoti ir tyrinėti erdvės-laiko kristalų elgesį.
Kaip vyko eksperimentas ir pagrindiniai pastebėjimai
Zhao ir Smalyukh sukūrė matomą laiko kristalą sugrūsdami ploną skystojo kristalo sluoksnį tarp stiklo plokštelių, padengtų fotoaktyviu dažytu sluoksniu. Skystieji kristalai yra strypo formos organinių molekulių sankaupos, kurios teka kaip skystis, bet rodo orientacinį tvarkymą kaip kristalas — tai pažįstama visiems, naudojantiems LCD ekranus. Tyrėjai apšvietė mėginį kalibruota šviesa, keičiant dažų molekulių orientaciją (procesas, žinomas kaip poliarizacijos poveikis). Pertvarkytos dažų molekulės sukėlė mechaninius arba elektrooptinius įtempius gretimame skystojo kristalo sluoksnyje.
Šie įtempiai sukėlė lokalizuotas išlinkimo zonas ir defektus skystojo kristalo direktoriaus lauke. Defektai sąveikavo nelinijiškai ir generavo savaime palaikomas oscilacijas bei keliaujančius banginius raštus. Svarbiausia, judesys kartojosi su stabilia periodika ir erdviniu raštu, vizualiai pasirodydamas kaip ryškios spalvotos juostos, kurios banguoja laike. Raštas išliko valandomis esant kintančioms aplinkos sąlygoms — tai reikšmingas atsparumo rodiklis potencialiems technologiniams pritaikymams.
Nors eksperimentas atitinka dabartinius kriterijus, kad būtų laikomas laiko kristalu (ilgai trunkanti, savaiminė laikinė periodiškumo savybė, ne vien tiesiogiai sinchronizuota su išoriniu šaltiniu), autoriai pažymi, jog kitų medijų ir režimų tyrinėjimas gali atskleisti skirtingus veikimo kriterijus laiko ir erdvės–laiko kristalams klasifikuoti.
Galimi pritaikymai
To, kad laiko kristalas yra matomas, reikšmė yra akivaizdi — tai siūlo tiesiogines technologines kryptis: optinius prietaisus, fotonikos erdvės–laiko kristalų generatorius, telekomunikacijų aparatūrą, antikopijavimo (anti-falsifikavimo) raštus bei naujus atsitiktinių skaičių ar brūkšninių kodų sprendimus, paremtais dinaminėmis ir sunkiai atkartojamomis laikinėmis parašais. Kadangi efektas yra optinis ir jį galima suprojektuoti plonose dviejų matmenų plėvelėse, integracija į įrenginius — jutiklius, ekranus ar saugumo etiketes — gali būti įgyvendinta be kriogenikos ar ekstremalios izoliacijos.
Ekspertų įžvalga
Dr. Elena Martínez, hipotetinė, bet realistine pateikta medžiagų fizikė ir mokslo komunikatorė, komentuoja: "Šis demonstravimas yra svarbus, nes perkelią laiko kristalinę tvarką iš abstrakčių kvantinių sistemų į apčiuopiamą, matomą medžiagą. Skystųjų kristalų ir fotoaktyvių dažų panaudojimas sumažina barjerą įrenginių integracijai, leisdamas inžinieriams prototipuoti erdvės–laiko optinius komponentus, kurie panaudoja periodinę laikinę struktūrą. Kiti iššūkiai bus dažnio, gyvavimo trukmės ir sąsajos su elektroninėmis ar fotoninėmis grandinėmis valdymas praktiniams taikymams."
Išvados
Kolorado universiteto Boulderio komandos demonstracija, parodžiusi matomą laiko kristalą skysto kristalo plėvelėje, žymi naują etapą ne pusiausvyros būsenų medžiagų tyrimuose. Sukurdami ilgai trunkančią laikinę tvarką, kurią tiesiogiai galima matyti kaip banguojančias spalvotas juostas, tyrimas plečia eksperimentines platformas laiko kristalams ir paryškina perspektyvias pritaikymo sritis fotonikoje, antikopijavimo technologijose ir telekomunikacijose. Nors reikės papildomų studijų, kad būtų nustatytos stabilumo ribos ir parengti įrenginiams paruošti dizainai, šis prieinamas optinis laiko kristalas priartina kadaise teorinę sąvoką prie technologinės realybės.
Šaltinis: doi
Komentarai