Ο Christopher Monroe περνά τη ζωή του σκουντώντας τα άτομα με φως. Τα διατάσσει σε δακτυλίους και αλυσίδες και μετά τα αγγίζει με με δέσμες λέιζερ για να διερευνήσει τις ιδιότητές τους και να σχηματίσει μ αυτά κβαντικούς υπολογιστές. Πέρυσι, αποφάσισε να δοκιμάσει κάτι που φαινομενικά έμοιαζε αδύνατο: να δημιουργήσει έναν χρονοκρύσταλλο. Το όνομα έχει κάτι από την παλιά σειρά επιστημονικής φαντασίας του BBC “Doctor Who”, αλλά έχει τις ρίζες της στην πραγματική φυσική. Οι χρονοκρύσταλλοι είναι υποθετικές δομές που πάλλονται ηλεκτρομαγνητικά χωρίς να απαιτούν διόλου ενέργεια. Κάπως σαν ένα μηχανικό ρολόι που χτυπάει τικ-τακ, αλλά ποτέ δεν θέλει κούρδισμα.
Πάψαμε πια να θεωρούμε ως φυσικά αδύνατη την ύπαρξη παράξενων μορφών ύλης που λέγονται χρονοκρύσταλλοι.
Η μορφή αυτή των παλμών επαναλαμβάνεται καθώς περνάει ο χρόνος, και μοιάζει με τον τρόπο που επαναλαμβάνονται τα άτομα ενός κλασσικού κρυστάλλου στο χώρο. Η ιδέα ήταν τόσο προκλητική, που όταν ο Νομπελίστας φυσικός Frank Wilczek την πρότεινε το 2012, άλλοι ερευνητές βιάστηκαν να αποδείξουν ότι δεν υπήρχε τρόπος σχηματισμού τέτοιων δομών χρονοκρυστάλλων.
Υπήρχε όμως ένα παραθυράκι στις αποδείξεις αυτές και ερευνητές σε ένα ξεχωριστό κλάδο φυσικής βρήκαν τρόπο να το εκμεταλλευτούν. Ο Monroe, ένας φυσικός στο πανεπιστήμιο του Maryland στο College Park, και η ομάδα του, χρησιμοποίησαν αλυσίδες ατόμων που τις είχαν παρασκευάσει για άλλους σκοπούς, για να πραγματοποιήσουν μια εκδοχή των χρονοκρυστάλλων. «Θα έλεγα ότι ήταν ένα εύρημα που η τύχη μας έριξε στην ποδιά μας» λέει ο Monroe.
Και άλλη μια ερευνητική ομάδα από ερευνητές στο πανεπιστήμιο Harvard στο Cambridge, Massachusetts, δημιούργησε ανεξάρτητα χρονοκρυστάλλους από ακάθαρτα διαμάντια. Και οι δύο εκδοχές που δημοσιεύτηκαν την περασμένη εβδομάδα στο περιοδικό Nature, θεωρούνται μεν χρονοκρύσταλλοι, αλλά όχι όπως τους φαντάστηκε αρχικά ο Wilczek. “Είναι λιγότερο αλλόκοτοι από την αρχική ιδέα, αλλά είναι πάντως πολύ αλλόκοτοι» λέει ο Norman Yao, ένας φυσικός του πανεπιστημίου Berkeley της Καλιφόρνιας που είχε συμμετοχή και στις δυο εργασίες.
Η σύνθεση χρονοκρυστάλλων άνοιξε τον δρόμο για έναν εντελώς νέο «κόσμο» υλικών, τα οποία βρίσκονται σε συνθήκες μη ισορροπίας.
Πρόκειται επίσης για τα πρώτα παραδείγματα ενός αξιοσημείωτου τύπου ύλης –μια συλλογή κβαντικών σωματιδίων που μεταβάλλεται συνεχώς και ποτέ δεν φτάνει σε στατικά σταθερή κατάσταση. Αυτά τα συστήματα, αντλούν σταθερότητα από τυχαίες αλληλεπιδράσεις οι οποίες θα διέλυαν άλλα είδη της ύλης. “Είναι ένα νέο είδος τάξης, που προηγουμένως το νομίζαμε αδύνατο. Κι αυτό είναι άκρως ενδιαφέρον” λέει ο Vedika Khemani, μέλος της ομάδας από το Harvard και μέλος της ομάδας που είχε εργαστεί θεωρητικά για την ύπαρξη της νέας κατάστασης της ύλης. Οι πειραματικοί φυσικοί εργάζονται ήδη πάνω σε σχέδια εκμετάλλευσης των χαρακτηριστικών αυτών των παράξενων συστημάτων στους κβαντικούς υπολογιστές και σε υπερ-ευαίσθητους μαγνητικούς αισθητήρες.
Ο Wilczek ονειρεύτηκε τους χρονοκρυστάλλους σαν ένα τρόπο παραβίασης των ισχυόντων κανόνων. Οι φυσικοί νόμοι παρουσιάζουν συμμετρία ως προς το ότι ισχύουν οι ίδιοι σε όλα τα σημεία και κατευθύνσεις του χρόνου και του χώρου. Όμως μερικά συστήματα παραβιάζουν αυτή τη συμμετρία και εκδηλώνουν μια προτιμητέα κατεύθυνση. Σ’ ένα μαγνήτη τα σπινς των ατόμων ευθυγραμμίζονται μάλλον, παρά έχουν τυχαίες κατευθύνσεις. Σ’ ένα γεωλογικό κρύσταλλο, τα άτομα καταλαμβάνουν συγκεκριμένες θέσεις και ο κρύσταλλος δεν εμφανίζεται ίδιος αν μετακινηθούμε ελαφρά μέσα στο πλέγμα του. Λέμε ότι σπάει η πλήρης χωρική συμμετρία με την εμφάνιση διευθύνσεων που έχουν διαφορετικές ιδιότητες. Όταν ένας μετασχηματισμός κάνει τις ιδιότητες του συστήματος ν αλλάζουν, αυτό στη γλώσσα της φυσικής αποκαλείται σπάσιμο της συμμετρίας, και εμφανίζεται συχνά στη φύση. Εμφανίζεται στα θεμέλια του μαγνητισμού, της υπεραγωγιμότητας, ακόμη και στο μηχανισμό Higgs ο οποίος προσδίδει μάζα σε όλα τα σωματίδια.
Το 2012, ο Wilczek, ο οποίος τώρα είναι στο πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης, αναρωτήθηκε γιατί δεν σπάει ποτέ αυθόρμητα η συμμετρία ως προς τον χρόνο και εάν θα ήταν δυνατόν να φτιάξουμε ένα σύστημα στο οποίο ένα τέτοιο σπάσιμο της συμμετρίας θα συνέβαινε. Ένα τέτοιο σύστημα αποκάλεσε χρονοκρύσταλλο. Οι πειραματικοί φαντάζονταν μια κβαντική εκδοχή αυτής της οντότητας, ίσως σαν ένα δακτύλιο από άτομα που θα στρέφονταν ατελείωτα κυκλικά ξαναγυρίζοντας στον αρχικό τους σχηματισμό. Οι ιδιότητες του συστήματος θα συγχρονίζονταν ατελείωτα με το χρόνο, όπως αντίστοιχα τα άτομα σχετίζονται με συγκεκριμένες θέσεις εντός ενός κρυστάλλου. Το σύστημα θα βρισκόταν στην χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση, αλλά δεν θα χρειαζόταν καμιά εξωτερική δύναμη για την κίνησή του. Θ’ αποτελούσε στην ουσία μια μηχανή σε διαρκή κίνηση, χωρίς βέβαια να παράγει και καμιά ωφέλιμη ενέργεια.
“Εκ πρώτης όψεως κανείς θα έλεγε ότι η ιδέα αυτή πρέπει είναι λανθασμένη” λέει ο Yao. Σχεδόν εξ ορισμού, ένα σύστημα που βρίσκεται στην θεμελιώδη(πιο χαμηλή) ενέργειά του δεν μεταβάλλεται με το χρόνο. Αν μεταβαλλόταν, θα σήμαινε ότι διαθέτει περίσσευμα ενέργειας για να χάσει, λέει ο Yao, και η περιστροφή του σύντομα θα σταματούσε. “Αλλά ο Frank έπεισε την επιστημονική κοινότητα ότι το πρόβλημα ήταν πιο περίπλοκο απ ότι φαινόταν με την πρώτη ματιά” λέει ο ίδιος. Η αιώνια κίνηση δεν ήταν κάτι που εμφανιζόταν για πρώτη φορά στον κβαντικό κόσμο. Θεωρητικά οι υπεραγωγοί έχουν αέναη κυκλοφορία ηλεκτρικού ρεύματος, αλλά η ροή του ρεύματος είναι ομοιόμορφη, κι έτσι δεν εμφανίζεται μεταβολή με το χρόνο. Δεν σπάει η χρονική συμμετρία.
Αυτά τα αλληλοσυγκρουόμενα ζητήματα τριγύριζαν στη σκέψη του Haruki Watanabe καθώς έβγαινε από την πρώτη προφορική εξέτασή του για το διδακτορικό του στο Berkeley. Είχε παρουσιάσει μια εργασία πάνω στο σπάσιμο της συμμετρίας στο χώρο, και ο καθηγητής του τον ρώτησε για τις συνέπειες που θα είχε η ύπαρξη των χρονοκρυστάλλων του Wilczek. “Δεν μπορούσα να απαντήσω στην ερώτηση μέσα στα πλαίσια της εξέτασης, αλλά με ενδιέφερε,” λέει ο Watanabe, ο οποίος αμφέβαλλε αν μια τέτοια οντότητα ήταν εφικτή. “Αναρωτιώμουν, πως μπορώ να πείσω τον κόσμο ότι κάτι τέτοιο δεν είναι δυνατόν;’”
Μαζί με τον φυσικό Masaki Oshikawa του πανεπιστημίου του Τokyo, ο Watanabe άρχισε να προσπαθεί να αποδείξει με ισχυρό μαθηματικό τρόπο την διαισθητική του απάντηση στο θέμα.
Περιγράφοντας το πρόβλημα με όρους συσχετισμού στο χώρο και χρόνο, απομακρυσμένων μερών του συστήματος, οι δυο φυσικοί έδειξαν ένα θεώρημα το 2015, που έλεγε ότι οι χρονοκρύσταλλοι ήταν αδύνατο να δημιουργηθούν για οποιοδήποτε σύστημα που βρίσκεται στην πιο χαμηλή ενέργειά του. Έδειξαν επίσης ότι οι χρονοκρύσταλλοι είναι αδύνατο να εμφανιστούν σε σύστημα που βρίσκεται σε ισορροπία. Δηλαδή για ένα σύστημα που έχει φτάσει σε μόνιμη κατάσταση, ανεξάρτητα αν είναι στη χαμηλότερη κατάσταση ενέργειας ή όχι.
Στην κοινότητα των φυσικών, η περίπτωση έμοιαζε τελειωμένη. “Δεν φαινόταν δυνατόν να έχουμε χρονοκρυστάλλους,” λέει ο Monroe. Αλλά η απόδειξη άφηνε ένα παραθυράκι. Δεν απαγόρευε να έχουμε χρονοκρυστάλλους σε συστήματα που δεν έχουν φτάσει ακόμη σε μόνιμη κατάσταση και δεν βρίσκονται ακόμη σε ισορροπία. Οι θεωρητικοί σε όλο τον κόσμο άρχισαν να σκέφτονται τρόπους να δημιουργήσουν εναλλακτικές εκδοχές των χρονοκρυστάλλων.
Σούπα σωματιδίων
Η καινοτομία ήρθε από μια τελείως διαφορετική γωνιά της φυσικής, όπου οι ερευνητές δεν ενδιαφέρονταν για χρονοκρυστάλλους.
Ο Shivaji Sondhi, ένας θεωρητικός φυσικός στο πανεπιστήμιο Princeton του New Jersey, και οι συνεργάτες του, έψαχναν τι συμβαίνει όταν σε μερικά απομονωμένα κβαντικά συστήματα που αποτελούνται από σύνολα αλληλεπιδρώντων σωματιδίων, τους δίνεται μια επαναλαμβανόμενη ώθηση. Τα βιβλία της φυσικής λένε ότια τα συστήματα αυτά τότε, θερμαίνονται και οδηγούνται βαθμιαία σε χαοτικές καταστάσεις. Το 2015 όμως,η ομάδα του Sondhi προέβλεψε ότι κάτω από ορισμένες συνθήκες, αντί να αποσυντεθούν θα συγκεντρώνονταν για να σχηματίσουν μια φάση της ύλης η οποία δεν υπάρχει σε κατάσταση ισορροπίας. Σχηματίζεται δηλαδή ένα σύστημα σωματιδίων που εμφανίζει λεπτούς συσχετισμούς οι οποίοι δεν έχουν παρατηρηθεί στο παρελθόν, και οι σχηματισμοί αυτοί επαναλαμβάνονται με την πάροδο του χρόνου. Εμφανίζουν δηλαδή έναν χρονικό σχηματισμό.
Η πρότασή τους αυτή, τράβηξε την προσοχή του Chetan Nayak, πρών μαθητή του Wilczek, και τώρα στο πανεπιστήμιο της Santa Barbara της Καλιφόρνιας. Ο Nayak και οι συνεργάτες του σύντομα αναγνώρισαν ότι αυτή η παράξενη κατάσταση ύλης εκτός ισορροπίας, θα αποτελούσε ένα τύπο χρονοκρυστάλλων. Όχι όμως τον τύπο που πρότεινε ο Wilczek. Δεν θα βρισκόταν στην θεμελιώδη κατώτατη ενεργειακή κατάσταση, και θα χρειαζόταν μια ρυθμική ώθηση για να πάλλεται. Θα είχε όμως ένα σταθερό ρυθμό καθώς πάλλεται, διαφορετικόν από αυτόν της ώθησής της. Κι αυτό ακριβώς συνιστά σπάσιμο της χρονικής συμμετρίας.
“Είναι κάπως σα να κάνεις σκοινάκι, κι ενώ το χέρι σου που το κινεί διαγράφει δυο κύκλους, το σκοινί διαγράφει έναν” λέει ο Yao. Πρόκειται για έναν πιο ασθενή τρόπο σπασίματος της χρονικής συμμετρίας από αυτόν που φαντάσθηκε ο Wilczek. Στη δική του σύλληψη, το σκοινί θα ταλαντωνόταν από μόνο του.
Όταν ο Monroe άκουσε γι αυτό το προτεινόμενο σύστημα, αρχικά δεν το κατανόησε.Όπως όμως λέει ο ίδιος “Όσο πιο πολλά άκουγα γι αυτό, τόσο πιο πολύ με διέγειρε”.
Ώσπου πέρυσι αποφάσισε να προσπαθήσει να βάλει άτομα να σχηματίσουν ένα χρονοκρύσταλλο. Η συνταγή ήταν πολύ περίπλοκη, τρία όμως μόνο συστατικά ήταν τα βασικά: Μια δύναμη να διαταράσσει περιοδικά τα άτομα, μια μέθοδος που να κάνει τα άτομα να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και κάποιο στοιχείο τυχαίας αταξίας. Ο συνδυασμός αυτών λέει ο Monroe εξασφαλίζει ότι υπάρχει περιορισμός στο πόση ενέργεια μπορούν ν’ απορροφήσουν τα άτομα ώστε να παραμένουν σε μόνιμη κατάσταση διάταξης μεταξύ τους.
Στο πείραμά του, αυτό σήμαινε να στέλνει επαναληπτικά εναλλασσόμενους παλμούς λέηζερ σε μια αλυσίδα από δέκα άτομα υτερβίου. Το πρώτο λέηζερ αντιστρέφει τα σπιν τους και το δεύτερο κάνει τα σπιν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με τυχαίους τρόπους. Ο συνδυασμός αυτός έθετε τα ατομικά σπιν σε ταλάντωση, αλλά με διπλάσια περίοδο από το αίτιο που προκαλούσε την αντιστροφή τους. Ακόμα περισσότερο, οι ερευνητές βρήκαν ότι και όταν ακόμη άρχιζαν να κάνουν την αναστροφή του συστήματος των σπιν με πιο ατελή τρόπο, όπως π.χ με το να αλλάζουν ελαφρά τη συχνότητα της αντιστροφής, οι ταλαντώσεις του συστήματος παρέμεναν οι ίδιες. “Το σύστημα κλείδωνε σε μια πολύ σταθερή συχνότητα,” λέει ο Monroe. Οι κλασσικοί χωρικοί κρύσταλλοι είναι σταθεροί σε κάθε προσπάθεια να μετακινήσουμε τα άτομα από τις πλεγματικές τους θέσεις. Αυτός ο χρονοκρύσταλλος έχει παρόμοια ιδιότητα ως προς τον χρόνο.
Στο Harvard, ο φυσικός Mikhail Lukin προσπάθησε να κάνει κάτι παρόμοιο, αλλά σε ένα πολύ διαφορετικό σύστημα. Ένα τρισδιάστατο σβώλο διαμαντιού. Το ορυκτό περιείχε περί το ένα εκατομμύριο ατέλειες, καθεμιά από τις οποίες περιέκλειε ένα σπιν. Και οι “ακαθαρσίες” από άλλες προσμίξεις εξασφάλιζαν μια φυσική αταξία. Όταν ο Lukin και η ομάδα του χρησιμοποίησε παλμούς μικροκυμάτων για να αντιστρέψει τα σπιν, είδαν ότι το σύστημα αποκρινόταν με μια συχνότητα που ήταν ένα κλάσμα μόνο της συχνότητς που χρησιμοποιούσαν για να το διαταράξουν.
Οι φυσικοί συμφωνούν ότι και τα δυο συστήματα σπάνε ένα είδος χρονικής συμμετρίας και ως εκ τούτου μαθηματικά εκπληρούν τα κριτήρια των χρονοκρυστάλλων. Υπάρχει όμως κάποια αμφισβήτηση εάν πρέπει να τα αποκαλούμε χρονοκρυστάλλους. “Πρόκειται για ενδιαφέρουσα εξέλιξη αλλά γίνεται κάποια κατάχρηση του όρου,” εξηγεί ο Oshikawa.
Ο Yao λέει ότι τα νέα συστήματα είναι πράγματι χρονοκρύσταλλοι, αλλά ο όρος χρειάζεται να περιοριστεί ώστε να αποφύγουμε να περιλάβουμε φαινόμενα τα οποία κατανοούμε ήδη καλά και δεν παρουσιάζουν τόσο ενδιαφέρον για του κβαντικούς φυσικούς.
Όμως οι δημιουργίες των Monroe και Lukin είναι ενδιαφέρουσες για διαφορετικούς λόγους επίσης, λέει ο Yao. Φαίνεται να είναι τα πρώτα και ίσως τα απλούστερα παραδείγματα νέων φάσεων που υπάρχουν σε σχετικά ανεξερεύνητες καταστάσεις εκτός ισορροπίας.
Θα μπορούσαν επίσης να έχουν αρκετές πρακτικές εφαρμογές. Μια από αυτές θα μπορούσε να είναι η χρήση τους ως συστήματα που εκδηλώνουν κβαντική συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι φυσικοί συχνά χρησιμοποιούν συζευγμένα(entangled) κβαντικά σωματίδια σε θερμοκρασίες nanokelvin, κοντά στο απόλυτο μηδέν, για να εξομοιώσουν περίπλοκες συμπεριφορές υλικών που δεν μπορούν να μοντελοποιηθούν σε ένα κλασσικό υπολογιστή. Οι χρονοκρύσταλλοι αποτελούν ένα σταθερό κβαντικό σύστημα που εξακολουθεί να υπάρχει σε θερμοκρασίες πολύ ψηλότερες από το απόλυτο μηδέν-στην περίπτωση του διαμαντιού του Lukin σε θερμοκρασία δωματίου—ανοίγοντας κατ αρχήν την πόρτα σε κβαντικές εξομοιώσεις χωρίς την απαίτηση πολύ χαμηλών.
Οι χρονοκρύσταλλοι θα μπορούσαν επίσης να βρουν χρήση σε αισθητήρες υπερ-υψηλής ακρίβειας, εξηγεί ο Lukin. Το εργαστήριό του ήδη χρησιμοποιεί ατέλειες στο διαμάντι για να ανιχνεύσει μικροσκοπικές μεταβολές θερμοκρασίας και μαγνητικού πεδίου. Η προσέγγισή του όμως έχει όρια, διότι αν πάρα πολλές ατέλειες εγκλωβιστούν σε ένα μικρό χώρο, οι αλληλεπιδράσεις τους καταστρέφουν τις ευαίσθητες κβαντικές τους καταστάσεις. Σε ένα χρονοκρύσταλλο όμως, οι ίδιες αλληλεπιδράσεις σταθεροποιούν μάλλον παρά καταστρέφουν την κβαντική συμπεριφορά. Με τον τρόπο αυτό, πιστεύει ο Lukin, θα μπορούσε να τιθασεύσει εκατομμύρια ατελειών μαζί, για να παράγει ένα ισχυρό σήμα. Ένα σήμα αρκετά ισχυρό για να διερευνήσει ζωντανά κύτταρα και υλικά με πάχος ατόμων.
Η ίδια αρχή σταθερότητας δημιουργούμενης από αλληλεπιδράσεις θα μπορούσε να εφαρμοστεί πιο εκτεταμένα και στους κβαντικούς υπολογιστές, λέει ο Yao. Οι κβαντικοί υπολογιστές υπόσχονται πάρα πολλά, αλλά ακόμα αγωνίζονται οι μηχανικοί τους να προστατέψουν τα ευαίσθητα κβαντικά που εκτελούν τους υπολογισμούς, ώστε να μπορούν να κωδικοποιούν σ αυτά και να διαβάζουν από αυτά πληροφορίες. “Μπορούμε να αναρωτηθούμε αν στο μέλλον κάποιος θα βρει φάσεις όπου οι αλληλεπιδράσεις θα σταθεροποιούν αυτά τα κβαντικά bits,” υποστηρίζει ο Yao.
Η ιστορία των χρονοκρυστάλλων είναι ένα όμορφο παράδειγμα πως συμβαίνει συχνά πρόοδος όταν συναντιούνται διαφορετικοί δρόμοι σκέψης, λέει ο Roderich Moessner, διευθυντής του Ινστιτούτου Max Planck για τη φυσική των πολύπλοκων συστημάτων στη Δρέσδη της Γερμανίας. Και ίσως αυτή η συγκεκριμένη συνταγή αποδειχθεί ότι είναι ένας από τους πολλούς τρόπους για να πάρουμε χρονοκρυστάλλους.
Της Elizabeth Gibney,στο περιοδικό Nature magazine . 9 Μαρτίου 2017.
επιμέλεια Νίκος Σφαρνάς
