Az időkristály viszonylag új fogalom, Frank Wilczek fizikus mindössze tíz évvel ezelőtt, 2012-ben publikálta először a róla szóló tanulmányát, amelyben még csak az elméleti lehetőségét vetette fel az anyag sajátos állapotának, ami a kristályokkal analóg szerkezete miatt kapta az időkristály elnevezést. Míg a kristályok térben alkotnak szimmetrikus, ismétlődő mintázatot, addig az időkristály alkotórészeinek ismétlődése időbeli: két állapot között ingáznak folyamatosan, lassulás vagy energiaveszteség nélkül, elméletileg akár örökre, mivel ez a folytonos váltakozás jelenti a legalacsonyabb energiaállapotukat, ami felé haladnak a rendszerek külső behatás nélkül.

A csak teóriákban létező örökmozgók ugyan megszegik a termodinamika második főtételét, ami szerint egy zárt, külső hatásoktól mentes rendszer állapotváltozása egy irányba zajlik le, és a termikus egyensúly felé halad, de a perpetuum mobile-hez hasonló időkristály mégsem csak tanulmányokban szerepel, gyakorlatban is sikerült már előállítani különböző kutatócsoportoknak az elmúlt években. Ezek a rendszerek kétféle elrendezés között oszcillálnak, anélkül, hogy energiát vennének fel a környezetükből, igaz, hogy a váltakozást az állapotok között a vizsgálatok során külső hatással idézték elő a fizikusok, lézersugarak vagy mikrohullámok segítségével hozták létre a jelenségeket, viszont a ciklikus ismétlődés, ami az időkristály létrejöttét mutatta, már a hullámoknál alacsonyabb frekvencián valósult meg.

Az időkristály előállításához az egyik legalkalmasabb eszköz a kvantumszámítógép, mivel ezek a berendezések eleve a kvantummechanikai elvek alapján működnek, mint ahogy az időkristály építőelemei is. A Google Sycamore gépével tavaly alkották meg az első időkristályt, egy 20 qubitos chip segítségével, most pedig ennél jóval nagyobb, 57 kvantum bites rendszert hoztak létre ausztrál kutatók az IBM kvantumszámítógépeivel.

A Melbourne-i Egyetem elméleti fizikusai a cég Egyesült Államokban található gépeit, az ibmq_manhattant and ibmq_brooklynt használták felhőszolgáltatáson keresztül a kísérlethez, amely során az 57 szupravezető qubitot különböző elrendezésekben vizsgálva megfigyelték, hogy a kvantum bitek egymással összeköttetésben álló rendszere minden második, a perdületet változtató impulzus során visszatér az előző állapotába és ez a minta stabilizálódik, vagyis függetlenné válik a külső hatások egyenetlenségeitől, feltéve, hogy az impulzusok random módon és nem egyenletes erővel követik egymást. A több test rendszer így az időkristályokra jellemző, diszkrét lépésekből álló, ciklikus állapotváltozásra áll be, azonban a Wilczek által is leírt "klasszikus" időkristályoktól különbözik annyiban, hogy a váltakozás csak 50 ciklus erejéig tart a qubitok érzékenysége miatt.

Ahogy Stephan Rachel és Philipp Frey, a kutatás résztvevői írják a Conversationön megjelent beszámolójukban, az időkristály nem sérti meg a termodinamika második főtételét, mivel az nem mondja ki egyértelműen, hogy a zárt rendszerek nem tarthatják meg az aktuális rendezetlenégüket örökre, csak azt, hogy nem kerülhetnek önmaguktól, külső hatás nélkül rendezettebb állapotba.

"Ez az, ami az időkristályokkal történik. Ezt nem látjuk a hétköznapi életben, mert valójában egy kvantumjelenség."

- írják a kutatók.

Az időkristályok gyakorlati felhasználása nem egyértelmű ugyan, de ennek az újonnan felfedezett anyagi állapotnak a vizsgálata és megértése új távlatokat nyithat az elméleti fizikában és olyan jelenségekbe nyújthat betekintést, amelyek eddig csak elméletekben léteztek. Az időkristályok egyre nagyobb népszerűségét mutatja, hogy majdnem a Melbourne-i Egyetem kutatási eredményeinek publikálásával egy időben, február 14-én egy másik kutatocsoport, a UC Riverside (Kaliforniai Egyetem Riverside) fizikusai is kiadták tanulmányukat az általuk előállított időkristályokról, amelyeknek sajátos vonása, hogy szobahőmérsékleten is működőképesek. Mivel ezek a magnézium-fluorid üvegből, lézerimpulzusokkal készített időkristályok nem csak jól kontrollált, a külvilágtól elzárt környezetben létezhetnek, ezért az alkalmazási körük is szélesebb lehet, használhatóak például nagy precizitású időmérésre a kutatók javaslata szerint.

(Science Fotó: Google, Pixabay/RostislavUzunov, Connie Zhou/IBM)

A tudósoknak először sikerült megfigyelni a Pauli kristályokat Egyre gyorsuló tempóban zajlik az anyag alapvető titkainak, szerkezetének, működésének feltárása a fizika, a kémia, és a belőlük eredő tudományterületek virágkorukat élik. Szinte minden hétre jut egy első alkalommal, egy először a világon.