Az időkristály elnevezés az anyagnak azt az örökmozgóhoz hasonló állapotát takarja, amely a környezetéből felvett energia nélkül folyamatosan, ciklikusan változik. Ahogy a kristályszerkezet formáját térben periodikusan változó/ismétlődő részek adják, úgy az időkristályt időben változó elemek alkotják, amelyek meghatározott időközönként állapotot váltanak, majd visszatérnek a kiinduló formájukba. Ezzel az objektum megszegi az úgynevezett idő-transzlaciós szimmetriát, ami a tárgyak felépítésére jellemző: ez azon az alapvető hipotézisen alapul, ami, leegyszerűsítve, kimondja, hogy a fizikai szabályok, így egy tárgy szerkezetét meghatározó fizikai szabályok is, változatlanok maradnak az idő múlásával.

Ami valóban lehetetlenné teszi a működését az időkristályoknak az ismert fizikai szabályok között az az örökmozgóhoz hasonló működési elvük.

Frank Wilczek fizikus 2012-ben vetette fel az általa klasszikus időkristályoknak nevezett nevezett jelenség létezését, amely a legalacsonyabb energiaállapotában is mozogna (vagyis tulajdonképpen nem maradna állandó jelleggel a legalacsonyabb energiaállapotában), ezzel pedig megszegné a termodinamika második törvényét, majd később vázolta a kvantum időkristályok lehetséges működési elvét, ami zárt kvantummechanikai rendszerben valósulna meg, de azt ő is elismerte, hogy egy ilyen, az idő-transzlaciós szimmetriát spontán módon megszegő rendszer

"veszélyesen közel állna ahhoz, hogy megfeleljen az örökmozgó definíciójának".

A folytonos állapotváltozás ugyanis úgy valósulna meg, hogy közben a rendszer nem venne fel újra és újra energiát a környezetéből, márpedig a második főtétel szerint ez lehetetlen, mivel a természetes folyamatok iránya zárt rendszerben, tehát energia hozzáadása nélkül, irreverzibilis és az egyensúlyi állapot felé konvergál. Az időkristályok azonban felkeltették a szakemberek érdeklődését és többen is megpróbálkoztak azzal, hogy bizonyítsák vagy éppen cáfolják a hipotetikus jelenség való világbeli létrehozásának lehetőségét.

A Princeton kutatói jutottak a legközelebb ahhoz, hogy alátámasszák az időkristályok egy speciális változatának valódiságát, mikor 2015-ben publikálták tanulmányukat a pi- spinüveg fázisról, az anyag új állapotáról, amelyben az építőelemek spinje (perdülete) periodikusan változna, egyik stabil állapotból a másik stabil állapotba kerülnének megállás nélkül. A szerzők, ahogy azt a Quanta is írja, nem használták az időkristály elnevezést, már csak azért sem, mert a klasszikus definíciótól eltérően az ő rendszerük külső behatással működne: a mozgást egy lézer fényhullámai idéznék elő, úgy, hogy közben a részecskék nem nyelnék el az energiát. Ez utóbbi tulajdonsága miatt a leírt, nem egyensúlyi helyzetben lévő, többtest rendszer egy tovább fejlesztett változata egy másik kutatócsoporttól megkapta a Floquet időkristály elnevezést, Gaston Floquet francia matematikus után, aki a differenciálegyenleteket tanulmányozta.

Ennek a típusú objektumnak az állapotváltozása diszkrét lépésekben valósul meg, melyet a lézer hullámai határoznak meg, az egyes részecskék spinjének módosulása ez által vesz fel periodikus mintázatot: az egymással kapcsolatban álló, sorba kötött részecskék csoportjai bizonyos formációba rendeződnek a perdületüket illetően, például mindegyik fel spinnel rendelkezik, és ez a következő lépésben mindnél le spinné módosul, majd vissza.

A két csoport később tovább dolgozott a saját hipotézisén, miközben más fizikusok is elkezdtek foglalkozni a problémával. Arra kérdésre, hogy az időkristály megvalósítása milyen konkrét gyakorlati előnyökkel járna, nem volt senkinek biztos válasza, mivel a koncepció inkább elméleti problémákat vetett fel, de 2020-ban japán kutatók előálltak az ötlettel, hogy a jövőben a kvantumszámítógépek tervezéséhez lehetne használni őket a bonyolult kvantumhálózatok szimulációjával. Ahogy néhány nappal ezelőtt kiderült, nem csak a kvantumgépek létrehozását segíthetik az időkristályok, hanem fordítva is működik a dolog: a kvantumszámítógépek alkalmasak arra, hogy valódi időkristályokat hozzanak létre.

A Google Sycamore gépével az a princetoni és stanfordi fizikusokból álló kutatócsoport, aki 2015-ben a pi-spinüveg jelenséget leírták, egy 20 qubitos chippel időkristályt alkotott, az erről szóló tanulmányt (Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor) pedig július 28-án publikálták az ArXiv preprint szerveren. A kvantumszámítógép egyik jellemzője, hogy a qubitek közötti interakció erősségét változtatni lehet a segítségével, ez teszi lehetővé az időkristályok alakítását, mivel a randomizált interakciók miatt kialakul az a többtest rendszer, aminek a részei, a qubitok, az időkristályokat jellemző mintázatot vesznek fel. A mintázat módosulását, vagyis az állapotváltozást mikrohullámok alkalmazásával indukálták, és a több tízezer lefutatott próba alatt bizonyították a periodikus változás jelenlétét.

A rendszer, ahogy azt az eredeti hipotézis leírása is tartalmazta, eközben nem vett fel energiát a környezetéből.

A kutatás bizonyította, hogy a kvantumszámítógépek, ugyan alkalmasak sok más, gyakorlati szempontból fontos feladat kivitelezésére is, de a Floquet időkristályokhoz hasonló, különös és újonnan kreált objektumok és állapotok alkotására is képesek, egészen új dimenziók ajtaját megnyitva a kutatások előtt. Mivel az időkristályok eddig leginkább csak papíron léteztek (bár történtek már kísérletek korábban is, legutóbb, július elején már egy másik kutatócsoport bejelentette, hogy egy gyémántban sikerült ilyen állapotot létrehozni), ezért a vizsgáltuk továbbra is kérdéseket és vitákat vethet fel, a mostani tanulmány is még a peer-review, vagyis a többi szakértő elbírálásának folyamata előtt áll.

(Fotó: Getty Images/urzine)

További cikkek a témában:

Kvantumhálózatok és az idő olvadó kristályai A kvantumszámítástechnika és kvantum-informatika a kvantum-kutatás két legérdekesebb területe, bár a kvantum számítógép és a kvantum-internet még várat magára. A megoldást ugyanakkor talán már ismerjük, az időkristályok képében.
Egy ausztráliai atomreaktorban derülhet ki, hogy tud-e több irányba is telni az idő Bár az idő múlása a mi szempontunkból teljesen lineárisnak tűnik, a tudósok régóta feltételezik, hogy az idő nem csak egy irányba tud folyni. Az elméletet hamarosan Ausztrália egyetlen működő atomreaktorában fogják igazolni - vagy cáfolni.
Lehetséges működő térhajtóművet építeni egy új tanulmány szerint A fénysebességnél gyorsabb utazás negatív energia felhasználása nélkül is megvalósítható lehet az einsteini fizikai törvények keretei között.