tidskrystall

(a) I et vanlig materiale ordner atomene seg i et spesifikt geometrisk mønster som kalles for krystallstrukturen til materialet. Krystallstrukturen er altså periodisk i rommet. (b) I et tidskrystall ordner atomene seg i et mønster som er periodisk i tid istedet for rom. Dette kan illustreres ved atomer i en ring som bytter posisjon med hverandre etter bestemte tidsintervaller når et ytre magnetisk felt er til stede.
Illustrasjon av prinsippet for et tidskrystall.
Lisens: CC BY SA 3.0

Et tidskrystall er en tilstand til et materiale der strukturen gjentar seg periodisk i tid på en bestemt måte. Dette er til forskjell fra vanlige materialer med en krystallstruktur som gjentar seg periodisk i rommet.

Tidskrystaller ble lagt frem som en teoretisk idé i 2012 av Nobelprisvinner Frank Wilczek, og ble observert for første gang i 2017 av to uavhengige eksperimentelle grupper.

Beskrivelse

Periodisk i tid

I et vanlig materiale, for eksempel aluminium eller jern, er atomene ordnet i et periodisk mønster som kalles et krystallgitter. Dette vises i figur (a). Strukturen til materialet gjentar seg altså periodisk i rommet.

I 2012 la fysikeren og Nobelprisvinneren Frank Wilczek frem en idé om at det kunne eksistere en ny tilstand til materie hvor strukturen gjentar seg periodisk i tid. I et vanlig materiale vil atomene foretrekke å befinne seg i visse posisjoner som bestemmes av hvordan krystallstrukturen ser ut. Wilczeks idé gikk ut på at det kunne være mulig å skape en tilstand til materie hvor atomene endret hvilken posisjon de foretrakk å befinne seg i ved ulike tider. Et eksempel på dette kunne vært en ring av atomer med et påtrykt magnetisk felt, der atomene spontant byttet posisjon etter bestemte tidsintervaller, som vist i figur b.

Ikke en evighetsmaskin

I sin opprinnelige form ble konseptet «tidskrystall» presentert som en likevektstilstand, noe som betyr at materien spontant ville oppføre seg periodisk i tid uten noen ytre påvirkning. Dette var et kontroversielt forslag, siden det antydet at tidskrystaller ville oppføre seg som evighetsmaskiner – atomene ville ustanselig flytte seg rundt med jevne mellomrom uten at energi ble tilført til systemet. Andre teoretiske fysikere viste kort tid etter forslaget til Wilczek at et tidskrystall var umulig å oppnå som en likevektstilstand.

Ute av likevekt

Det vitenskapelige arbeidet etter den opprinnelige prediksjonen for eksistensen av tidskrystaller i 2012 fokuserte i stedet på systemer ute av likevekt. I et slikt tilfelle utsettes systemet for en ekstern påvirkning.

Denne forskningen førte til en viktig nyansering i definisjonen av hva et tidskrystall er. I et tidskrystall fremviser systemet en periodisitet i tid hvor perioden er større enn perioden til den eksterne påvirkningen som driver systemet ut av likevekt. Mer spesifikt fremviser systemet en periode som er et heltall ganger periodisiteten til den ytre påvirkningen.

Egenskapene til et tidskrystall kan dermed forstås via en analogi hvor man hopper tau. Dersom tauet oppførte seg som et tidskrystall, ville det gå rundt én gang når armen vår går rundt to ganger. Periodisiteten til systemet (tauet) er altså dobbelt så stor som periodisiteten til drivkraften (armen).

Eksperimentell observasjon

Den uvanlige tidsresponsen til et tidskrystall gjør at et slikt system kvalifiserer til å kalles en ny tilstand til materie. Tidskrystaller ute av likevekt ble eksperimentelt observert for første gang i slutten av 2017 av to uavhengige grupper fra Universitet i Maryland og fra Universitetet i Harvard.

Anvendelse

Det er uklart om tidskrystaller kan benyttes for praktiske formål. Siden prediksjonen for tidskrystaller i 2012 har det blitt spekulert i om de kan brukes til kvantedatamaskiner.

Les mer i Store norske leksikon

Eksterne lenker

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg