Kategoriler
Bilim & İnsan

Zaman kristali: Zamanı depolayan, enerjisiz çalışan atomlar

Zaman kristali sıradan kristallere benzer ve kendini tekrar eden atom yapılarına sahiptir. Ancak zaman kristali oluşurken kendisini üç boyutlu uzayın her yönüne doğru tekrar etmek yerine zamanla desenini değiştirir. Maddenin bu tuhaf hali Nobel Ödüllü fizikçi Frank Wilczek tarafından 2012'de öne sürüldü. Tıpkı bir süper iletkenin en düşük enerji halindeyken elektrik akımı taşıyabilmesi gibi, atomların da en düşük enerji halindeyken zamanla değişebileceğini belirtti.

Zaman kristalini anlamak

Bu durum atomların hiçbir enerji kaynağı olmadan sonsuza dek kendini tekrar edebileceğini gösteriyor: Tıpkı bir devridaim makinesi gibi. Ancak termodinamik yasaları böyle bir cihazın mümkün olamayacağını söyler. Bilim adamları ise zaman kristali halihazırda onu kullanacak bir makineye bağlanamadığı için teknik olarak cihaz olmadığını ve hiçbir yasayı kırmadığını açıklar. Şu anda bir zaman kristalinin zamanı saklamak ya da bilgisayar işlemlerini yürütmek için kullanılması tartışılıyor.

Zaman kristali nasıl yapılır?

Zaman kristalinin test edildiği laboratuvar.
Zaman kristalinin test edildiği laboratuvar.

Wilczek'in öngörüsünden bu yana araştırmacılar atomların zaman kristali olarak nitelendirilebilecek şekilde davrandığını gösteren deneyler yaptı. 2016 yılında, Maryland Üniversitesi'nden ve ABD'deki Harvard Üniversitesi'nden fizikçi ekip zaman kristali davranışını eylem halinde göstermek için Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley'den araştırmacıların önerdiği bir yöntemi kullandılar.

İşlemlerinde, lazer kullanarak dolaşık haldeki parçacıklara periyodik hareket kazandırdılar ve ardından hareket desenini izleyerek belirgin bir bozulma olup olmadığını gözlemlediler. Böyle bir bozulma maddenin enerji dağılımındaki sapmayı gösterecekti, tıpkı zaman kristallerinin yaptığı gibi.

İLGİLİ:  Zaman nedir ve nasıl tanımlanabilir?

Çalışma, kuantum dolaşıklığı sayesinde parçacıkların belirli bir özelliğinin – bir mesafedeki dönüş gibi – değişebileceğini göstermiş oldu. Zaman kristalinin enerji eklenmeden yaptığı davranışın ta kendisiydi, bir devridaim modeli.

Dördüncü boyut

Zamanda şansınızın arttığı o özel anı seçin.
Zamanda şansınızın arttığı o özel anı seçin. (Fotoğraf: Ed Schipul/Flickr)

Tipik bir kristalde atomlar tekrar eder şekilde (periyodik) 3 boyutlu boşluğun içine yayılır. Sıvılar kristal hale gelirken tüm hacim boyunca homojen şekilde yayılırlar – tıpkı bir fincandaki suyun fincanın her yerinde aynı seviyede görünmesi gibi.

Bununla birlikte su kristalleştiğinde atomları belirli bir deseni izleyen katı yapılar oluşturur. Bu simetri çok yönlü olmaz – desenler sadece bazı yönlerde tekrar eder. Sodyum klorit ve tuzlu su deneyi yapmış herkes bu kristal desenlerini bilir.

Nobel Ödüllü Frank Wilczek 2012'de kristallerin bu periyodikliğinin (veya seçici yinelenme modelinin) dördüncü boyuta uzanabileceğini söyledi. Evet, dördüncü boyut yani zaman. Wilczek, mümkün olan en düşük enerji durumundaki bir sistemin kristalleri boşlukta "donduracağını" ve normal bir kristal gibi görüneceğini belirtti.

Wilczek ayrıca eğer bu düşük enerjili sistemdeki atomlar başlangıç ​​konumlarından saparsa zaman öteleme simetrisinin – zamanın her anının diğer her anla aynı olduğu fikrinin – bozulacağını savundu.

Zaman öteleme simetrisi yazı tura atmaya benzer, işlem ne kadar hızlı ya da yavaş yapılırsa yapılsın yazı veya tura gelme şansı daima 50/50'dir. Tıpkı suyun her noktaya eşit dağıldığı önceki uzamsal simetri örneği gibi, nesneler zamanın içinde aynı şekilde var olur – uzamsal kristaldeki atomların boşlukta düzenli aralıklarla var olması gibi. Wilczek'in 4 boyutlu kristali zamanda düzenli aralıklarla (periyotlarla) var olur.

İLGİLİ:  Gerçeği söyleten ilaç: Sodyum pentotal veya doğruluk serumu

Şimdi bozuk para örneğini yeniden düşünün, zaman kristali zaman öteleme simetrisini bozduğunda zamandaki belirli bir periyodu özel yapıyor demektir, bu da şimdi parayla 50/50 şansa sahip olmak ancak belirli bir süre beklenirse (10 saniye gibi) 75'e 25 şansa sahip olmaktır.

Uzay zaman kristalinin teoriden gerçeğe dönüşmesi

Fizikte bir madde kendiliğinden kristal oluşturabildiğine göre – yani yapısı tekrar eden uzamsal kalıbı (veya periyodikliği) bozan katı nesneler – evren yasalarının zaman kristali oluşumuna da olanak tanıması gerektiğine inanılıyor – yani zamanın simetrisinin bozulduğuna. Wilczek sunduğu hipotezde bunun birçok termodinamik süreçteki periyodik davranışta gözlemlenebileceğini söyledi – tıpkı en düşük enerji durumunda dönen iyonlar gibi.

Böyle bir şey olsaydı bu kristal zamanı ölçebilen bir sarkaca benzerdi. Wilczek, kendiliğinden oluşan bir zaman kristalinin kendiliğinden ortaya çıkan bir saat gibi olacağını söylemiştir.

Wilczek zaman kristaline dair teorileri oturtmakta zorlandı ancak 2016'da Microsoft'un Station Q isimli araştırma tesisinden fizikçiler Wilczek'in zorluklarını nasıl düzelteceklerini keşfettiler. Station Q ekibi zaman kristallerinin zaman öteleme simetrisini (time-translation symmetry) kendiliğinden kırdığını ve de bunu yaparken zaman boyunca periyodiklik gösterdiğini kanıtladı.

İLGİLİ:  Kum saatinin kökeni: İcadı ve tarihi

Kullanım alanları

Teorinin ilk görüntüleri Helmholtz-Zentrum Berlin'de Maxymus adlı taramalı transmisyon X-ışını mikroskobu ile yakalandı ve bize zaman kristallerinin davranışına dair bir bakış sundu. Bilim adamlarına göre bu gelişme birçok alanda olağanüstü yeni fırsatlara işaret ediyor.

Video zaman kristalinin geçici periyodikliğinin görsel kanıtını sunuyor. Bilim adamları sarkaç benzeri bu "hareket"e saat benzetmesini yaparak bu keşfin bir gün zamanı saklamak, hatta geleceğin kuantum bilgisayarında bellek depolaması amacıyla kullanılabileceğini belirtmekte.

Almanya'dan Max Planck Akıllı Sistemler Enstitüsü ve Polonya'dan Adam Mickiewicz Üniversitesi oda sıcaklığında – birkaç mikrometre boyutunda – nispeten büyük bir zaman kristali oluşturdular. Bunun için magnonları mikroskobik antenle donatılmış manyetik bir şerit üzerinde kullandılar. Bu anten, radyo frekansı akımı yoluyla salınan bir manyetik alana neden oldu.

Videoda, manyetik dalga kılavuzu yapısının X-ışını ışınlarını emdiğini kaybolan ve yeniden beliren çizgilerde görüyoruz – burada koyu şerit X-ışını emilimine işaret ediyor. Özetle bu video maddenin hem zaman hem de boşlukta yaptığı periyodik salınımı gösteriyor. Biraz kafa karıştırıcı olsa da şeritteki magnonlar yapının üstünde bir antenle elektriksel olarak indüklenir.

Bu keşif ile örneğin, magnonik uzay-zaman-kristalleri kullanarak arabaların radar sinyaliyle iletişim kurması sağlanabilir. Zaman kristalleri görüntüleme ve iletişim teknolojilerini, radarı geliştirecek ve doğrusal olmayan dalga fiziğine yönelik araştırmaları ilerletecek.


Kaynakça ve ek bilgiler:

  1. https://phys.org/news/2020-10-crystals-future.html
  2. https://www.sciencealert.com/time-crystal

Yazar Berkay Alpkunt

Coğrafya ve astronomi üzerine geniş kapsamlı içerikler hazırlıyor. Diğer ilgi alanları canlı hayatı, bilim tarihi ve ülkeler olarak sıralanır. Aynı zamanda bağımsız video oyunlarına ilgilidir.