Zaman İçinde Akabilen Sıvı: Fizikçiler Tuhaf Yeni Madde Durumu Öneriyor

Genel olarak bildiğimiz bir buz küpü bir kristaldir; su molekülleri düzenli bir altıgen örgü içinde özenle dizilir.

Eridiğinde bu düzen çözülür, uzun mesafeli kristal düzen yerini sıvı karışıklığa bırakır. Yine de bu görünüşteki düzensizlik içinde moleküller yapının bir izini korur ve komşularıyla etkileşir.

Bu uzaysal bir düzendir. P ya yalnızca uzayda değil, zamanda da var olan bir kristale benzer bir şey olabilseydi?

Zaman kristali olarak bilinen bir olgu, bir buz küpüyle aynı şekilde eriyebilseydi, zaman sıvısı adı verilen bir madde durumu ortaya çıkardı; bu durum, uzun mesafeli uyum çözülürken kısa mesafeli zamansal düzeni korur.

Deneysel olarak gösterilirse, zaman sıvısı fizikçilere maddenin çevresindeki dalgalanmalara nasıl tepki verdiğini araştırmak için yeni bir yol sunabilir; ayrıca zaman kristallerini yöneten usual kuralların artık geçerli olmadığı durumlarda bile düzensizlikten nasıl bir düzen ortaya çıkabildiğini incelemeye olanak tanır.

“Hem kuantum hem de klasik ayrık zaman sıvılarının dikkat çeken en önemli yanı, üstel (topolojik) zaman kusurları sonlu yoğunluğa sahip bir ayrık zaman kristalinin ortalama olarak zaman-öteleme simetrisini geri getirebilmesi fikridir,” diyor Almanya’daki Max Planck Karmaşık Sistemlerin Fizği Enstitüsü’nden Zuo Wang ve Marios H. Michael önderliğinde bir fizikçi ekibi.

Eş hakeme değerlendirmeye tabi tutulmamış bulgular, ön baskı sunucusu arXiv’e yüklendi.

Zaman kristalleri, modern fiziğin daha büyüleyici olgularından biridir.

Zihninizde bir buz küpü canlandırın – moleküler ölçeğe küçülebilir ve ona bakabilseydiniz, örgüsü altıgen bir tırmanma kulesine benzer olurdu; desen üç boyutlu uzayda tekrarlanırdı.

Bir zaman kristali bu fikri bir boyut daha ileri götürür – yalnızca uzay içinde bir deseni tekrarlamak yerine, davranış biçiminde bir deseni zamanda tekrarlar.

Araştırmacılar çalışmalarlarını ayrık zaman kristali denilen bir zaman kristali türünün ilkeleri üzerine modellediler.

Ayrık zaman kristalinin tekrarlayan deseni, atomların normal salınımlarından ibaret değil; bir lazer gibi harici bir kaynakla besleniyor ancak farklı bir ritme göre işliyor. Bir nevi kristalin her vuruşu için kaynağın iki vuruşu gibi düşünebilirsiniz.

Bu kristal ritmi gerçekten sağlamdır – küçük bozulmalarla kolay kolay saptırılamaz.

Ama sürücü kuvvetin kendisi kararsız olduğunda ne olur? Düzenli bir vuruş yerine, kristalin öngörülemez biçimde salınan bir ritme maruz kaldığında ne olur?

Wang ve arkadaşları tam da bunu araştırmak istedi ve konu biraz kavramsal açıdan zorlaşacak, o yüzden bize eşlik edin.

Araştırmacılar, etkileşen spinlerden oluşan iki boyutlu bir kafes içeren kuramsal bir model geliştirdi – temiz bir ızgaraya dizilmiş pusula iğneleri gibi küçük manyetik oklardan oluşan bir levha gibi düşünebilirsiniz.

Bu kafes, bir elektromanyetik boşlukla (kavite) eşleştirildi. Oklardan oluşan levhayı, içinde bir elektromanyetik alan barındıran, zilleri andıran boş bir odaya koyduğunuzu hayal edin.

Şimdi, bu zille çekiçle vurmak yerine, onu ısıttığınızı hayal edin. Rastgele termal dalgalanmalar elektromanyetik alanın salınmasına yol açar ve bu salınımlar okları etkileyerek onları döndürmek ve komşularıyla etkileşmek için teşvik eder.

Kavitenin doğal bir rezonans frekansı olduğu için, dalgalanmalar kimse bilinçli olarak zaman tutmuyor olsa bile yaklaşık bir ritm üretir.

Oklardan oluşan levha, zaman-kristalimsi davranışı sergileyebilen sistemdir. Dalgalanan elektromanyetik alan ise bunun sürücüsüdür.

Araştırmacılar simülasyonlarını çalıştırdıklarında, sürpriz bir şey ortaya çıktı. Uygun koşullar altında spinler, onları süren dalgalanmalar son derece düzensiz olmasına rağmen, cavitenin frekansının yarısında bir ritme göre işlemeye başladı.

Ama bu normal bir ayrık zaman kristali değildi.

Spinler genel olarak kendilerine özgü ritmlerini korurlarken, ara sıra denkleşip tekrarlayan desenlerinin iki eşdeğer versiyonu arasında geçiş yapıyorlardı.

Araştırmacılar, bu kesintilere zaman-solitons adını veriyor – altta yatan ritmi yok etmeden uzun menzilli tutarlılığı bozan zamansal düzen bozuklukları.

Oldukça hayali bir laboratuvar kurduk, ama biraz daha dayanın. Sıvıya neredeyse ulaştık. İşte burada eriyen buz küpümüze geri dönüyoruz.

Sıvı su, kristal örgüsünün uzun menzilli düzeni çöktükten sonra bile yerel bir yapıyı korurken, benzer şekilde simüle edilmiş spinler, uzun menzilli tutarlılık eridikçe kısa menzilli zamansal düzeni korudu.

Bu, araştırmacıların “ayrı zaman sıvısı” dediği durum.

Ve işte başka bir sürpriz: termal dalgalanmalar spinleri yalnızca bozmuyordu. Tam tersine, düzenli modellerini ortaya çıkarmaktan sorumluydular.

Düşük sıcaklıklarda dalgalanmalar, belirgin tekrarlayan modeli üretmek için yeterince güçlü değildi. Orta sıcaklıklarda spinler ritimlerine oturdular. Yüksek sıcaklıklarda ise dalgalanmalar o kadar güçlü hale geldi ki, düzen tamamen bozuldu. Tıpkı Goldilocks’ın lapası gibi – laboratuvarımızı biraz daha dağınık kılmış olalım.

Yaptığı şey, ısı eklemenin aslında düzen yaratabileceği – ama belli bir noktaya kadar.

O halde neden biri, lapanın fizik karşılığını kızgın bir çan içinde servis edip pusula iğneleri ve kübik buzlarla tatlandırmak istesin? (Lezzetli.)

Aslında, bir nedeni zaman-dönüşüm simetrisi denen bir şeyle ilgili – fizik yasalarının, o yasaların yönettiği olgular zaman içinde farklı davransalar bile, onları hangi anda gözlemekten bağımsız olarak aynı şekilde çalıştığını öne süren ilke.

Bir zaman kristali, belirli anları diğerlerinden ayıran tekrarlayan bir modeli yerleştirerek bu simetriyi bozar.

Ama simüle edilmiş zaman sıvısında, ritmin farklı sürümleri arasında ara sıra yapılan geçişler, ortalamaya göre bu ayrılıkların kaybolmasına yol açar. Sistem, sonsuza kadar tek bir tutarlı modeli korumadan yerel zamansal düzeni korur.

Bu durum, zaman sıvısının termal dengede bile var olabileceği ihtimalini doğuruyor; bu da geleneksel zaman kristallerinin oluşması beklenmeyen bir durum.

Şimdilik tüm bunlar saf teori düzeyinde kalıyor. Araştırmacılar, bu tuhaf karışımı deneyisel olarak gerçekleştirmeyi başaramadı; ancak olası bazı yöntemleri ve olası sınırlamaları ortaya koydular.

Zaman kristali fikri ilk kez öne sürüldüğünde, birçok fizikçi bunun imkânsız olduğunu düşünüyor; bu yüzden bir zaman sıvısı görmeye hâlâ şansımız olabilir.

Ve eğer bunu görürsek, düzen ile kaos arasındaki tuşaf ilişki hakkında yeni bir şey ortaya çıkaracak.

Araştırma, arXiv önbaskı sunucusunda erişilebilir durumda.

Bu makale Fiona MacDonald tarafından doğrulandı ve Fiona MacDonald tarafından düzenlendi. Sürecimize övünerek bakıyoruz ancak yine de yalnızca insanız. Bir hata fark ederseniz, lütfen bize bildirin.