Zaman kristalleri nedir ve nasıl mümkün olmaktadır?

On yıldan biraz daha uzun bir süre önce, MIT'den fizikçi ve Nobel ödüllü Frank Wilczek, kuantum zaman kristali adını verdiği teorik bir nesnenin potansiyel özellikleri hakkında düşündüren bir makale yazdı. Birçoğunu şaşırtacak şekilde, son birkaç yılda, bu zaman kristalleri hem belirli laboratuvar deneylerinde hem de çocuk oyuncakları gibi yaygın şeylerin içinde bol miktarda bulundu.

Çoğu zaman olduğu gibi, bu nesnelerin kesin doğası geniş ölçüde anlaşılmamıştır. O halde bu soruyu birlikte ele alalım: zaman kristali nedir? Öncelikle kristalin ne olduğunu tanımlayalım. Boş uzayı, göz alabildiğine uzanan boş bir sayfa gibi düşünelim. Özel bir noktası yok çünkü her noktası aynı.

İşte öteleme simetrisi burada devreye giriyor. Hiçbir nokta özel değildir - ancak şimdi kağıdın, tıpkı matematik derslerinde kullanmış olabileceğiniz kağıtlar gibi, milimetrik çizildiğini hayal edelim. Çok fazla boş alanınız olacaktır, ancak arada bir çizgileriniz, köşeleriniz vb. olur. Bu, tekrar eden düzenli bir yapıdır. Normal kristalinizde, elmaslardan kar tanelerine kadar, atomları bunun gibi tekrar eden desenlerde düzenlenmiştir.Desen, bir kristali tanımlamak için önemli olan şeydir. Bir zaman kristalinde, zaman simetrisi bozulmuştur. Zaman kristali, herhangi bir düzenlemede bulunabilen, ancak düzenli aralıklarla tekrar tekrar aynı desende son bulan bir atomlar topluluğudur. Bunu, pek çok tuhaf hareket eden parçaya sahip karmaşık bir saat mekanizması olarak hayal edebilirsiniz - ama belki de her ne yapıyorlarsa yapmaya geri dönmeden önce hepsi her dakika net bir şekil oluşturur!

Bunu gözümüzde canlandırmak için, Jüpiter'in en içteki üç büyük uydusunu ele alalım: Io, Europa ve Ganymede. Yörünge periyotlarının rezonansta olduğu söylenir. Io'nun her dört yörüngesi için Europa iki, Ganymede bir yörünge yapar. Yani kabaca her hafta (7.15 gün), desen kendini tekrarlar. Bu, bir zaman kristali için iyi bir benzetmedir, ancak bir zaman kristali değildir. Sadece kuantum dünyasında bulunabilen başka bir özel bileşen eklememiz gerekiyor. Sistem çevreye enerji kaybetmiyor – aslında sistem enerjisiz olarak değişir ve hareket eder. Gereksinimlerden biri, bu sistemlerin en düşük enerji durumunda olmalarıdır, bu yüzden onu tam anlamıyla harcayamazlar.

Bunun kulağa fazlasıyla sürekli hareket gibi geldiğini ve izole edilmiş bir sistemin entropisinin her zaman arttığını açıklayan termodinamiğin ikinci yasası tarafından açıkça yasaklandığını düşünüyor olabilirsiniz. Onlar sınırlayıcı bir durumdur. Bu zaman kristallerinin entropisi aynı kalır.

Bu nesneler yalnızca birkaç yıldır biliniyor, ancak araştırmacılar, geleceğin potansiyel bellek depolaması gibi kuantum bilgisayarlardaki olası uygulamaları araştırıyorlar.^[1]