Forskere har funnet en ny tilstandsform for materie som er avhengig av tid.

© Claus Lunau

Tidskrystaller gir datamaskiner evig regnekraft

De endrer form av seg selv, har sin egen rytme og burde egentlig ikke eksistert. Men nå har forskere skapt de merkelige tidskrystallene som kan gi datamaskiner ekstreme krefter uten å bruke energi.

8. februar 2018 av Martin Bernth & Esben Schouboe

Forestill deg en ball som ligger på bakken. 

Som alle andre gjenstander har ballen en rekke fysiske trekk som beskriver den tredimensjonale formen: Den er kulerund og har en bestemt diameter som avgjør omkretsen – akkurat som alle andre runde gjenstander.

Men denne ballen er likevel helt annerledes, for formen er også avhengig av den fjerde dimensjonen: tid. For hvert tiende sekund skifter ballen form helt av seg selv – den blir eggformet – før den ti sekunder senere igjen blir til en kule. Det er en firedimensjonal ball.

Er du interessert i teknologi, kan du lese mer i Illustrert Vitenskap.

Inntil nylig ville de fleste fysikere ha nektet for at en slik ball kunne eksistere, fordi det ville bryte med noen av de mest grunnleggende naturvitenskapelige lovene. 

Men nå har to forskergrupper uavhengig av hverandre fått partikler i mikroskopiske krystaller til å bevege seg og endre mønster av seg selv i takt med at tiden går. 

Krystallene utgjør en helt ny aggregattilstand for materie som verken er fast, flytende, gass eller plasma, men avhengig av tid.

Tidskrystaller, som forskerne har døpt dem, kan bli nøkkelen dataingeniører har manglet for å gjøre framtidens kvantedatamaskiner stabile og ikke minst ekstremt energisparende.

Finner opp evighetsmaskin

Tidskrystaller eksisterte opprinnelig bare som en idé i hodet på den nobelprisvinnende fysikeren Frank Wilczek. 

Ideen hans tok utgangspunkt i vanlige tredimensjonale krystaller som for eksempel salt eller is.

Helt nede på atomnivå er krystaller interessante for fysikere fordi de bryter med den såkalte romlige symmetrien. 

Romlig symmetri finnes for eksempel i en kopp flytende vann: Vannmolekylene fyller koppen i et homogent mønster, noe som betyr at to stikkprøver tatt fra ulike steder i koppen vil ha nøyaktig samme molekylmønster.

Når vannet i koppen fryser og blir til iskrystaller, ordner molekylene seg i et gjentagende mønster av faste enheter som er romlig asymmetrisk. 

To tilfeldige stikk prøver tatt fra iskrystallen vil dermed ikke ha samme mønster.

Forskjellen svarer til å klippe stoffprøver av to tepper – et ensfarget og et med et motiv. 

Uansett hvor saksen klipper i det ensfargede teppet, vil prøvene se like ut, mens to biter fra teppet med motivet nesten aldri vil være 100 prosent identiske.

Frank Wilczek studerte disse krystallstrukturene i 2012 da ideen kom til ham: Hva om det finnes et materiale som ikke bare er romlig asymmetrisk som krystaller, men tidsmessig asymmetrisk? Det ville innebære at et objekt som verken får tilført eller avgir energi, kan endre egenskaper kun fordi tiden går. 

I eksempelet med stoffprøvene ville mønsteret i en bit tidsmessig asymmetrisk teppe altså ikke være avhengig av hvor bitene klippes ut, men når de blir klippet ut.

Ideen ble mottatt med fascinasjon, men også forargelse. Partikler som endrer seg av seg selv over tid, bryter nemlig med et av fysikkens grunnleggende prinsipper: All energi i universet er konstant. 

Det vil si at energi aldri verken oppstår eller forsvinner, men bare omdannes fra én form til en annen, for eksempel fra lys til varme. 

Hvis Wilczeks tidskrystaller endret form uten å få tilført energi, ville de måtte skape energi ut av det blå. 

Med andre ord ville tidskrystallene være såkalte evighetsmaskiner, som ifølge fysikkens lover ikke kan eksistere.

Tidskrystaller møter motstand

Ideen møtte dermed mye motstand. I 2015 så det ut til at to forskere ved University of California og Universitetet i Tokyo hadde lagt de umulige evighetsmaskinene i graven da de la fram teoretiske beviser for at tidskrystaller ifølge fysikkens lover ikke kunne eksistere i såkalt termisk likevekt.

Når et objekt er i termisk likevekt, kan det verken avgi eller få tilført varme fra omgivelsene. 

Varme er i fysikkens verden et mål for partiklers bevegelsesenergi, så når objektet er i termisk likevekt, utveksler det ingen bevegelser med omgivelsene.

Forskerne fant ut at tidskrystallene bare kunne bevege seg hvis de ble «skjøvet på» av omgivelsene. 

Dermed var det fysisk umulig for tidskrystallene å endre form uten hjelp utenfra, noe som var hele grunnlaget for Wilczeks idé.

Men andre fysikere nektet å gi opp. Hvis ikke tidskrystallene kunne eksistere i termisk likevekt, var det kanskje mulig å skape dem i en tilstand der de ikke var i likevekt. 

I de siste årene har kvantefysikere utforsket et fenomen som kalles many-body localization (flerlegeme-lokalisering), som forekommer når en samling atomer ikke er i termisk likevekt. 

Atomer i denne tilstanden er usynlig forbundet og kan påvirke hverandre.

I en beholder fylt med luft vil atomene normalt fylle beholderens volum likt og bevege seg tilfeldig rundt hverandre. 

Men ved hjelp av many-body localization kan atomene påvirke hverandre, slik at de for eksempel samler seg i den ene siden av beholderen eller flytter seg rundt i et spesielt mønster.

Fra umulig teori til virkelighet

I et forsøk fikk forskerne små partikler i en diamant til å oppføre seg som tidskrystaller.

© George Kucsko/Harvard Uni.

Det store gjennombruddet kom i 2015, da forskere ved Princeton University beviste hvordan de «umulige» krystallene i teorien kunne eksistere hvis de beveget seg i faste tidsintervaller ved hjelp av many-body localization.

Det avgjørende i forskernes nye idé var at atomene ikke ville bevege seg helt av seg selv, noe som strider mot fysikkens grunnlover. 

De ville heller ikke bevege seg fordi de ble påvirket utenfra, men i stedet fikk de hverandre til å bevege seg.

Dette smutthullet i fysikken inspirerte forskere til å gå i laboratoriet og teste teorien i praksis, og i begynnelsen av 2017 klarte to forskergrupper nesten samtidig å skape de firedimensjonale krystallene. 

De to teamene fra henholdsvis University of Maryland og Harvard University brukte faktisk ulike framgangsmåter, men kom likevel fram til det samme resultatet.

I Maryland skjøt forskere laserpulser inn på en kjede av ioner av stoffet ytterbium, som var forbundet til hverandre via manybody localization. 

Laserpulsene dyttet til ionene og fikk dem til å snu retningen på magnetfeltene på hodet og tilbake igjen, helt synkront. 

Noe av det mest oppsiktsvekkende var at frekvensen i skiftene var uendret selv om frekvensen av laserpulsen endret seg.

Kjeden av ytterbiumioner hadde altså sin egen rytme, en slags grunnleggende egenskap på samme måte som masse eller elektrisk ladning.

Ved Harvard brukte forskerne mikrobølgepulser til å dytte på små partikler inne i en diamant. Igjen snudde partiklene seg i presise intervaller – akkurat som i Maryland-forsøket.

Datamaskiner får superkrefter

Det nye fenomenet, som nå er påvist i laboratoriet, har skapt begeistring i fysikkens verden. Tidskrystallene er nemlig det første beviset på at materie kan organisere seg i tidsdimensjonen.

Krystallene kan betraktes som universets eget urverk, som bare må dyttes i gang og deretter vil bevege seg i en fast rytme av seg selv – for evig.

Ett område som kan få nytte av disse urverkene, er kvantedatamaskiner, som dataingeniører fortsatt strever med å gjøre brukbare.

I kvantedatamaskiner skal kvantebits avløse transistorene i vanlige datamaskiner. Transistorer er små fysiske kontakter som enten er på eller av. 

De brukes i datamaskinens programvare til å representere 1 og 0. 

De taktfaste vendingene av tidskrystallenes magnetfelt kan overta den funksjonen, men uten å bruke den energien transistorene trenger. 

De vil dessuten ta mye mindre plass, slik at mer regnekraft kan samles i maskinen.

Tidskrystallenes evne til å holde på rytmen på tross av ytre påvirkninger fra for eksempel laserpulser kan også være en fordel når systemet er basert på kvantebits. 

Så langt har et problem nettopp vært å finne partikler som kan utgjøre kvantebits, men samtidig ikke er så følsomme at de blir ubrukelige.

Forsøkene med tidskrystaller kan være begynnelsen på et helt nytt felt innen fysikken, mener en av forskerne bak forsøket i Maryland. 

Selv om krystallene i forsøkene bare eksisterte i en kort periode og i veldig små størrelser, er det grunnleggende konseptet nå bevist.

Og slik saltkrystaller naturlig finnes i relativt store biter – for eksempel de vi krydrer maten vår med – mener Monroe at tidskrystaller kan forekomme i naturen.

Med andre ord kan universet være fylt med firedimensjonelle krystaller som ingen trodde kunne eksistere.

Gå aldri glipp av de viktigste vitenskapelige nyhetene – få Illustrert Vitenskaps NYHETSBREV direkte i din innboks

Les også

Kanskje du er interessert i...

FÅ ILLUSTRERT VITENSKAPS NYHETSBREV

Du får ditt gratis spesialtillegg, Vår Ekstreme Hjerne, til nedlasting straks du har meldt deg på nyhetsbrevet.

Fant du ikke det du lette etter? Søk her: