Berkeley-Laborforscher schlagen einen Weg vor, um den ersten Raum-Zeit-Kristall zu bauen.
Bildnachweis: Lawrence Berkeley National Laboratory.
Stellen Sie sich eine Uhr vor, die auch nach dem Hitzetod des Universums für immer die perfekte Zeit behält. Dies ist der „Wow“ -Faktor hinter einem Gerät, das als „Raum-Zeit-Kristall“ bekannt ist. Ein vierdimensionaler Kristall, der sowohl zeitlich als auch räumlich eine periodische Struktur aufweist. Es gibt jedoch auch praktische und wichtige wissenschaftliche Gründe für die Konstruktion eines Raum-Zeit-Kristalls. Mit einem solchen 4D-Kristall hätten die Wissenschaftler ein neues und effektiveres Mittel, um zu untersuchen, wie komplexe physikalische Eigenschaften und Verhaltensweisen aus den kollektiven Wechselwirkungen einer großen Anzahl einzelner Teilchen hervorgehen, dem sogenannten Vielkörperproblem der Physik. Ein Raum-Zeit-Kristall könnte auch verwendet werden, um Phänomene in der Quantenwelt zu untersuchen, wie beispielsweise die Verschränkung, bei der eine Wirkung auf ein Teilchen auf ein anderes Teilchen einwirkt, selbst wenn die beiden Teilchen durch große Entfernungen voneinander getrennt sind.
Ein Raum-Zeit-Kristall existierte jedoch bisher nur als Konzept in den Köpfen der theoretischen Wissenschaftler, ohne ernsthafte Vorstellung davon, wie man ihn tatsächlich baut. Ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Forschern des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums (DOE) hat den experimentellen Entwurf eines Raum-Zeit-Kristalls vorgeschlagen, der auf einer Ionenfalle mit elektrischem Feld und der Coulomb-Abstoßung basiert von Teilchen, die die gleiche elektrische Ladung tragen.
"Das elektrische Feld der Ionenfalle hält geladene Teilchen an Ort und Stelle, und die Coulomb-Abstoßung bewirkt, dass sie spontan einen räumlichen Ringkristall bilden", sagt Xiang Zhang, ein Wissenschaftler an der Fakultät der Abteilung Materialwissenschaften von Berkeley Lab, der diese Forschung leitete. „Unter Anwendung eines schwachen statischen Magnetfelds beginnt dieser ringförmige Ionenkristall eine Rotation, die niemals aufhört. Die beständige Rotation der eingefangenen Ionen erzeugt eine zeitliche Ordnung, die zur Bildung eines Raum-Zeit-Kristalls im Zustand mit der niedrigsten Quantenenergie führt. “
Da sich der Raum-Zeit-Kristall bereits in seinem niedrigsten Quantenenergiezustand befindet, wird seine zeitliche Ordnung - oder Zeitmessung - theoretisch auch dann bestehen bleiben, wenn der Rest unseres Universums Entropie, thermodynamisches Gleichgewicht oder "Hitzetod" erreicht.
Zhang, der den Ernest S. Kuh-Stiftungslehrstuhl für Maschinenbau an der University of California (UC) in Berkeley innehat, wo er auch das Nano-Science and Engineering Center leitet, ist der entsprechende Autor eines Artikels, der diese Arbeit in Physical beschreibt Review Letters (PRL). Das Papier trägt den Titel "Raum-Zeit-Kristalle aus gefangenen Ionen". Mitverfasser dieses Papiers waren Tongcang Li, Zhe-Xuan Gong, Zhang-Qi Yin, Haitao Quan, Xiaobo Yin, Peng Zhang und Luming Duan.
Das Konzept eines Kristalls mit einer diskreten zeitlichen Ordnung wurde Anfang dieses Jahres von Frank Wilczek, dem Nobelpreisträger am Massachusetts Institute of Technology, vorgeschlagen. Während Wilczek mathematisch bewies, dass ein Zeitkristall existieren kann, war es unklar, wie ein solcher Zeitkristall physikalisch zu realisieren ist. Zhang und seine Gruppe, die seit September 2011 in einem anderen System mit Fragen der zeitlichen Ordnung befasst sind, haben ein experimentelles Design entwickelt, um einen räumlich und zeitlich diskreten Kristall zu bauen - einen Raum-Zeit-Kristall. Beiträge zu beiden Vorschlägen erscheinen in derselben Ausgabe von PRL (24. September 2012).
Traditionelle Kristalle sind 3D-Festkörperstrukturen aus Atomen oder Molekülen, die in einem geordneten und sich wiederholenden Muster miteinander verbunden sind. Häufige Beispiele sind Eis, Salz und Schneeflocken. Die Kristallisation findet statt, wenn einem molekularen System Wärme entzogen wird, bis es seinen niedrigeren Energiezustand erreicht. An einem bestimmten Punkt niedrigerer Energie bricht die kontinuierliche räumliche Symmetrie zusammen und der Kristall nimmt eine diskrete Symmetrie an, was bedeutet, dass die Struktur nicht in alle Richtungen gleich ist, sondern nur in wenige Richtungen gleich ist.
„In den letzten Jahrzehnten wurden große Fortschritte bei der Erforschung der aufregenden Physik niedrigdimensionaler kristalliner Materialien wie zweidimensionalem Graphen, eindimensionalen Nanoröhren und nulldimensionalen Buckyballs erzielt“, sagt Tongcang Li, Hauptautor der PRL Papier und ein Post-Doc in Zhangs Forschungsgruppe. "Die Idee, einen Kristall mit Abmessungen zu schaffen, die über denen herkömmlicher 3D-Kristalle liegen, ist ein wichtiger konzeptioneller Durchbruch in der Physik, und es ist für uns sehr aufregend, als Erster einen Weg zu finden, um einen Raum-Zeit-Kristall zu realisieren."
Dieser vorgeschlagene Raum-Zeit-Kristall zeigt (a) periodische Strukturen sowohl im Raum als auch in der Zeit, wobei (b) ultrakalte Ionen selbst im Zustand niedrigster Energie in eine Richtung rotieren. Bildnachweis: Xiang Zhang Gruppe.
So wie ein 3D-Kristall im niedrigsten Quantenenergiezustand konfiguriert ist, wenn eine kontinuierliche räumliche Symmetrie in eine diskrete Symmetrie aufgespalten wird, wird auch eine Symmetrieunterbrechung erwartet, um die zeitliche Komponente des Raum-Zeit-Kristalls zu konfigurieren. Nach dem von Zhang und Li und ihren Kollegen entwickelten Schema reproduziert sich ein räumlicher Ring gefangener Ionen in ständiger Rotation periodisch mit der Zeit und bildet ein zeitliches Analogon zu einem gewöhnlichen räumlichen Kristall. Mit einer periodischen Struktur sowohl im Raum als auch in der Zeit ist das Ergebnis ein Raum-Zeit-Kristall.
"Während ein Raum-Zeit-Kristall wie eine Perpetuum-Motion-Maschine aussieht und auf den ersten Blick unplausibel erscheint, kann ein Supraleiter oder sogar ein normaler Metallring in seinem Quantengrundzustand dauerhafte Elektronenströme unterstützen." richtige Bedingungen. Elektronen in einem Metall haben natürlich keine räumliche Ordnung und können daher nicht zur Herstellung eines Raum-Zeit-Kristalls verwendet werden. "
Li weist schnell darauf hin, dass ihr vorgeschlagener Raum-Zeit-Kristall keine Perpetual-Motion-Maschine ist, da im Zustand mit der niedrigsten Quantenenergie keine Energieabgabe erfolgt. Es gibt jedoch sehr viele wissenschaftliche Studien, für die ein Raum-Zeit-Kristall von unschätzbarem Wert wäre.
"Der Raum-Zeit-Kristall wäre ein Vielkörpersystem für sich", sagt Li. „Als solches könnte es uns eine neue Möglichkeit bieten, die klassische Frage der Vielteilchenphysik zu untersuchen. Wie entsteht beispielsweise ein Raum-Zeit-Kristall? Wie bricht die Symmetrie der Zeitübersetzung? Was sind die Quasiteilchen in Raum-Zeit-Kristallen? Wie wirken sich Defekte auf Raum-Zeit-Kristalle aus? Das Studium solcher Fragen wird unser Verständnis der Natur erheblich verbessern. “
Peng Zhang, ein weiterer Mitautor und Mitglied von Zhangs Forschungsgruppe, stellt fest, dass ein Raum-Zeit-Kristall auch zum Speichern und Übertragen von Quanteninformationen über verschiedene Rotationszustände hinweg sowohl räumlich als auch zeitlich verwendet werden könnte. Raum-Zeit-Kristalle können auch Analoga in anderen physikalischen Systemen finden, die nicht nur aus Ionen bestehen.
"Diese Analoga könnten Türen für grundlegend neue Technologien und Geräte für eine Vielzahl von Anwendungen öffnen", sagt er.
Xiang Zhang glaubt, dass es jetzt sogar möglich sein könnte, einen Raum-Zeit-Kristall unter Verwendung ihres Schemas und ihrer hochmodernen Ionenfallen herzustellen. Er und seine Gruppe sind aktiv auf der Suche nach Mitarbeitern mit den richtigen Ionenfangeinrichtungen und Fachkenntnissen.
"Die größte Herausforderung besteht darin, einen Ionenring auf den Grundzustand zu bringen", sagt Xiang Zhang. „Dies kann in naher Zukunft mit der Entwicklung von Ionenfallen-Technologien überwunden werden. Da es noch nie einen Raum-Zeit-Kristall gegeben hat, werden die meisten seiner Eigenschaften unbekannt sein und wir müssen sie untersuchen. Solche Studien sollten unser Verständnis von Phasenübergängen und Symmetriebrüchen vertiefen. “
Über das Lawrence Berkeley National Laboratory
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