Ένας χρονοκρύσταλλος που πάλλεται ταυτόχρονα σε ρυθμούς τάξης και χάους μπορεί να ακούγεται σαν υλικό για μυθιστόρημα επιστημονικής φαντασίας, ωστόσο, είναι πλέον πραγματικότητα. Ερευνητές από το University of California, Berkeley και το Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems παρουσίασαν ένα νέο είδος χρονοκρυστάλλου, το time rondeau crystal, το οποίο αποκαλύπτει έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο με τον οποίο η ύλη μπορεί να οργανώνει τον χρόνο.
Οι χρονοκρύσταλλοι είναι ήδη αρκετά παράξενοι από μόνοι τους. Προβλέφθηκαν θεωρητικά το 2012 από τον Frank Wilczek και παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά το 2016, λειτουργώντας σαν κρύσταλλοι που δεν επαναλαμβάνονται στον χώρο αλλά στον χρόνο. Σε αντίθεση με ένα διαμαντένιο πλέγμα που εμφανίζει επαναλαμβανόμενο μοτίβο ατόμων, ένας χρονοκρύσταλλος παρουσιάζει περιοδικές ταλαντώσεις χωρίς εξωτερικό ρυθμιστή. Ουσιαστικά, τα σωματίδια κινούνται σε έναν χρονικό ρυθμό που δεν επιβάλλεται από κάποιον εξωτερικό παλμό, κάτι που από μόνο του σπάει τα αναμενόμενα όρια της φυσικής.
Το time rondeau crystal, όμως, πάει ένα βήμα παραπέρα. Αντί να επαναλαμβάνει έναν σταθερό χρονικό κύκλο, ταλαντεύεται με τρόπο που συνδυάζει χάος και τάξη. Σε βραχυπρόθεσμη κλίμακα, το σύστημα μοιάζει χαοτικό, όμως, παρατηρημένο σε μεγαλύτερα χρονικά παράθυρα, αποκαλύπτει έναν σταθερό, επαναλαμβανόμενο ρυθμό. Είναι ένα μοτίβο που δεν είναι ούτε περιοδικό ούτε εντελώς απρόβλεπτο, αλλά κάτι ενδιάμεσο, μια νέα μορφή χρονικής τάξης που μέχρι σήμερα δεν είχε εντοπιστεί.
Η ομάδα των φυσικών το παρομοιάζει με τη μουσική δομή rondeau, όπου ένα βασικό θέμα επανεμφανίζεται ανάμεσα σε πιο ελεύθερες, διαφοροποιημένες ενότητες. Με άλλα λόγια, η χρονική συμπεριφορά του υλικού μοιάζει με το πώς το Rondo alla Turca του Mozart επανέρχεται ξανά και ξανά στο βασικό του μοτίβο, ενώ στο ενδιάμεσο εξερευνά πιο σύνθετες παραλλαγές.
Για να δημιουργήσουν αυτόν τον νέο χρονικό κρύσταλλο, οι ερευνητές αξιοποίησαν τα λεγόμενα κενά αζώτου σε δομή διαμαντίου. Πρόκειται για μικροσκοπικά «κενά» στο κρυσταλλικό πλέγμα όπου λείπει ένα άτομο, δίπλα σε ένα άτομο αζώτου. Αυτά τα κενά σημεία είναι ιδιαίτερα χρήσιμα, καθώς επιτρέπουν την αλληλεπίδραση με τα spin των ατόμων άνθρακα-13 στο υλικό.
Με τη χρήση laser, η ομάδα υπερπόλωσε τα πυρηνικά spin αυτών των ατόμων και στη συνέχεια τα υπέβαλε σε παλμούς που κυμαίνονταν από αυστηρά περιοδικούς μέχρι εντελώς τυχαίους. Οι φυσικοί κατέγραψαν εκατοντάδες κύκλους και παρατήρησαν ότι οι ταλαντώσεις του συστήματος μπορούσαν να διατηρηθούν για περισσότερα από τέσσερα δευτερόλεπτα, ένα εντυπωσιακά μεγάλο διάστημα σε επίπεδο κβαντικών συστημάτων.
Το πιο παράδοξο όμως ήταν ότι, παρότι κάθε επιμέρους χρονική ακολουθία εμφάνιζε σημάδια αταξίας, η συνολική κατάσταση του συστήματος επανερχόταν με ακρίβεια στην αρχή κάθε κύκλου. Έτσι, αν κάποιος παρατηρούσε το σύστημα μόνο στο τέλος κάθε κύκλου, θα έβλεπε μια σχεδόν τέλεια επανάληψη. Αντίθετα, κοιτώντας το ανά πάσα στιγμή ενδιάμεσα, το σύστημα φαινόταν ασταθές και χαοτικό. Αυτή η παράξενη διπλή φύση – απολύτως οργανωμένη σε μακροσκοπική κλίμακα αλλά χαοτική σε μικροχρονικό επίπεδο, είναι που καθιστά το time rondeau crystal μοναδικό.
Οι ερευνητές δεν έμειναν μόνο στη δημιουργία του. Στο πλαίσιο της επίδειξης του πόσο ελεγχόμενο είναι αυτό το χρονικό σύστημα, κωδικοποίησαν ολόκληρη πρόταση κειμένου μέσα στους παλμούς του laser, χρησιμοποιώντας ASCII. Δεν υπάρχει ακόμη πρακτική εφαρμογή για κάτι τέτοιο, αλλά το πείραμα δείχνει ότι οι χρονικές δομές αυτού του τύπου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αποθηκεύσουν πληροφορίες ή να λειτουργήσουν ως νέου τύπου χρονικά συστήματα.
Το εύρημα ανοίγει μια εντελώς νέα κατηγορία μελετών πάνω στον τρόπο με τον οποίο η ύλη μπορεί να οργανώνει τον χρόνο της. Αν οι χρονοκρύσταλλοι ήταν ήδη μια από τις πιο απρόβλεπτες κατηγορίες φάσεων της ύλης, οι ρυθμοί rondeau εισάγουν κάτι ακόμη πιο εκκεντρικό: ένα είδος υλικού που υπακούει σε δύο χρονολογικές πραγματικότητες ταυτόχρονα.
Η μελέτη, δημοσιευμένη στο Nature Physics, υπόσχεται να πυροδοτήσει μεγάλο ενδιαφέρον στους τομείς των κβαντικών συστημάτων και της μη περιοδικής δυναμικής. Και παρότι οι εφαρμογές παραμένουν για την ώρα θεωρητικές, οι επιστήμονες θεωρούν πως τέτοια συστήματα μπορεί μια μέρα να αποτελέσουν θεμέλιο για νέες μεθόδους υπολογισμού ή για συσκευές που θα εκμεταλλεύονται χρονικές μορφές τάξης που μέχρι τώρα δεν γνωρίζαμε καν ότι υπάρχουν.
