Jam yang akan bertahan selamanya

Peneliti lab Berkeley mengusulkan cara untuk membangun kristal ruang-waktu pertama.

Kredit Gambar: Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley.

Bayangkan sebuah jam yang akan menjaga waktu yang sempurna selamanya, bahkan setelah panas-kematian alam semesta. Ini adalah faktor "wow" di belakang perangkat yang dikenal sebagai "kristal ruang-waktu," kristal empat dimensi yang memiliki struktur periodik dalam waktu maupun ruang. Namun, ada juga alasan ilmiah yang praktis dan penting untuk membangun kristal ruang-waktu. Dengan kristal 4D seperti itu, para ilmuwan akan memiliki cara baru dan lebih efektif untuk mempelajari bagaimana sifat-sifat dan perilaku fisik yang kompleks muncul dari interaksi kolektif sejumlah besar partikel individu, yang disebut masalah banyak tubuh fisika. Kristal ruang-waktu juga dapat digunakan untuk mempelajari fenomena di dunia kuantum, seperti keterjeratan, di mana aksi pada satu partikel berdampak pada partikel lain bahkan jika kedua partikel dipisahkan oleh jarak yang sangat jauh.

Kristal ruang-waktu, bagaimanapun, hanya ada sebagai konsep di benak para ilmuwan teoretis tanpa ide serius tentang bagaimana sebenarnya membangunnya - sampai sekarang. Sebuah tim ilmuwan internasional yang dipimpin oleh para peneliti dari Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) dari Departemen Energi AS (Berkeley Lab) telah mengusulkan desain eksperimental kristal ruang-waktu berdasarkan pada perangkap ion medan listrik dan tolakan Coulomb partikel yang membawa muatan listrik yang sama.

"Medan listrik perangkap ion menahan partikel bermuatan pada tempatnya dan tolakan Coulomb menyebabkan mereka secara spontan membentuk kristal cincin spasial," kata Xiang Zhang, seorang ilmuwan fakultas dengan Divisi Ilmu Bahan Berkeley Lab yang memimpin penelitian ini. “Di bawah penerapan medan magnet statis yang lemah, kristal ion berbentuk cincin ini akan memulai rotasi yang tidak akan pernah berhenti. Rotasi terus-menerus dari ion yang terperangkap menghasilkan keteraturan temporal, yang mengarah pada pembentukan kristal ruang-waktu pada keadaan energi kuantum terendah. "

Karena kristal ruang-waktu sudah pada tingkat energi kuantum terendah, tatanan temporal - atau ketepatan waktu - akan secara teoritis bertahan bahkan setelah seluruh alam semesta kita mencapai entropi, kesetimbangan termodinamika atau "panas-mati."

Zhang, yang memegang Ketua Profesor Teknik Mesin Ernest S. Kuh Endowed di University of California (UC) Berkeley, di mana ia juga mengarahkan Pusat Sains dan Teknik skala Nano, adalah penulis makalah yang menggambarkan karya ini dalam Fisika. Surat Ulasan (PRL). Makalah ini berjudul "Kristal ruang-waktu dari ion yang terperangkap." Penulisan bersama makalah ini adalah Tongcang Li, Zhe-Xuan Gong, Zhang-Qi Yin, Haitao Quan, Xiaobo Yin, Peng Zhang dan Luming Duan.

Konsep kristal yang memiliki urutan waktu telah diusulkan awal tahun ini oleh Frank Wilczek, fisikawan pemenang hadiah Nobel di Massachusetts Institute of Technology. Sementara Wilczek secara matematis membuktikan bahwa kristal waktu dapat ada, bagaimana secara fisik menyadari kristal waktu seperti itu tidak jelas. Zhang dan kelompoknya, yang telah bekerja pada masalah dengan tatanan temporal dalam sistem yang berbeda sejak September 2011, telah datang dengan desain eksperimental untuk membangun kristal yang terpisah baik dalam ruang dan waktu - kristal ruang-waktu. Makalah tentang kedua proposal ini muncul dalam edisi PRL yang sama (24 September 2012).

Kristal tradisional adalah struktur padat 3D yang terbuat dari atom atau molekul yang terikat bersama dalam pola yang teratur dan berulang. Contoh umum adalah es, garam dan kepingan salju. Kristalisasi terjadi ketika panas dikeluarkan dari sistem molekuler hingga mencapai tingkat energi yang lebih rendah. Pada titik tertentu dengan energi yang lebih rendah, simetri spasial kontinu rusak dan kristal mengasumsikan simetri diskrit, yang berarti bahwa alih-alih strukturnya sama di semua arah, ia hanya sama dalam beberapa arah saja.

"Kemajuan besar telah dibuat selama beberapa dekade terakhir dalam mengeksplorasi fisika menarik bahan kristal dimensi rendah seperti graphene dua dimensi, nanotube satu dimensi, dan buckyballs nol dimensi," kata Tongcang Li, penulis utama PRL kertas dan post-doc dalam kelompok riset Zhang. "Gagasan untuk membuat kristal dengan dimensi lebih tinggi daripada kristal 3D konvensional adalah terobosan konseptual yang penting dalam fisika dan sangat menarik bagi kita untuk menjadi yang pertama merancang cara untuk mewujudkan kristal ruang-waktu."

Kristal ruang-waktu yang diusulkan ini menunjukkan (a) struktur periodik dalam ruang dan waktu dengan (b) ion ultracold berputar dalam satu arah bahkan pada keadaan energi terendah. Kredit Gambar: Grup Xiang Zhang.

Sama seperti kristal 3D yang dikonfigurasi pada keadaan energi kuantum terendah ketika simetri spasial kontinu dipecah menjadi simetri diskrit, demikian juga pemecahan simetri diharapkan untuk mengkonfigurasi komponen temporal dari kristal ruang-waktu. Di bawah skema yang dirancang oleh Zhang dan Li dan rekan-rekan mereka, cincin spasial ion yang terperangkap dalam rotasi persisten secara berkala akan mereproduksi dirinya sendiri dalam waktu, membentuk analog temporal dari kristal spasial biasa. Dengan struktur periodik dalam ruang dan waktu, hasilnya adalah kristal ruang-waktu.

"Sementara kristal ruang-waktu terlihat seperti mesin gerak abadi dan mungkin tampak tidak masuk akal pada pandangan pertama," kata Li, "perlu diingat bahwa superkonduktor atau bahkan cincin logam normal dapat mendukung arus elektron yang persisten dalam keadaan tanah kuantumnya di bawah keadaan kuantum di bawah kondisi yang tepat. Tentu saja, elektron dalam logam tidak memiliki tata ruang dan karenanya tidak dapat digunakan untuk membuat kristal ruang-waktu. "

Li dengan cepat menunjukkan bahwa kristal ruang-waktu yang mereka usulkan bukanlah mesin gerak abadi karena berada pada keadaan energi kuantum terendah, tidak ada keluaran energi. Namun, ada banyak sekali penelitian ilmiah di mana kristal ruang-waktu akan sangat berharga.

"Kristal ruang-waktu akan menjadi sistem banyak-tubuh dalam dan dari dirinya sendiri," kata Li. “Dengan demikian, ini bisa memberi kita cara baru untuk mengeksplorasi pertanyaan fisika klasik banyak-tubuh. Misalnya, bagaimana kristal ruang-waktu muncul? Bagaimana istirahat terjemahan simetri waktu? Apa partikel kuasi dalam kristal ruang-waktu? Apa efek cacat pada kristal ruang-waktu? Mempelajari pertanyaan-pertanyaan semacam itu akan secara signifikan meningkatkan pemahaman kita tentang alam. ”

Peng Zhang, penulis bersama lain dan anggota kelompok riset Zhang, mencatat bahwa kristal ruang-waktu juga dapat digunakan untuk menyimpan dan mentransfer informasi kuantum melintasi berbagai kondisi rotasi dalam ruang dan waktu. Kristal ruang-waktu juga dapat menemukan analog dalam sistem fisik lain di luar ion yang terperangkap.

"Analog ini dapat membuka pintu bagi teknologi dan perangkat baru yang secara fundamental untuk berbagai aplikasi," katanya.

Xiang Zhang percaya bahwa sekarang bahkan mungkin untuk membuat kristal ruang-waktu menggunakan skema mereka dan perangkap ion canggih. Dia dan kelompoknya secara aktif mencari kolaborator dengan fasilitas dan keahlian penjebak ion yang tepat.

"Tantangan utama adalah mendinginkan cincin ion ke keadaan dasarnya," kata Xiang Zhang. “Ini bisa diatasi dalam waktu dekat dengan pengembangan teknologi perangkap ion. Karena belum pernah ada kristal ruang-waktu sebelumnya, sebagian besar propertinya tidak akan diketahui dan kita harus mempelajarinya. Studi semacam itu harus memperdalam pemahaman kita tentang transisi fase dan pemecahan simetri. ”

Melalui Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley

Baca kertas asli di sini.