Νέα κατάσταση της ύλης: Φυσικοί προτείνουν την ύπαρξη του «χρονικού υγρού»

Σύνοψη

• Ερευνητές του Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems παρουσίασαν ένα θεωρητικό μοντέλο που περιγράφει το «διακριτό χρονικό υγρό», μια πρωτοφανή κατάσταση της ύλης η οποία διατηρεί τη δομή της μέσω του χρόνου, αλλά χάνει τη μακροπρόθεσμη συνοχή της.
• Η θεμελιώδης αρχή βασίζεται στο λιώσιμο ενός θεωρητικού «χρονικού κρυστάλλου», όπου η απόλυτη χρονική τάξη καταρρέει προς το χρονικό χάος, αφήνοντας ωστόσο ίχνη τοπικής δομής.
• Οι επιστήμονες προσομοίωσαν ένα δισδιάστατο πλέγμα μαγνητικών σπιν εντός μιας ηλεκτρομαγνητικής κοιλότητας, παρατηρώντας ότι οι τυχαίες θερμικές διακυμάνσεις μπορούν παραδόξως να γεννήσουν προσωρινή χρονική τάξη.
• Το θεωρητικό σύστημα εμφανίζει ταλαντώσεις σε ρυθμό μικρότερο από τη συχνότητα της κοιλότητας, παρουσιάζοντας τοπολογικά χρονικά ελαττώματα που διακόπτουν την κανονικότητα χωρίς να καταστρέφουν πλήρως τον υποκείμενο ρυθμό.
• Η έρευνα ενδέχεται να προσφέρει κρίσιμες απαντήσεις για τη συμπεριφορά της ύλης σε καταστάσεις θερμικής ισορροπίας, ανοίγοντας δυνητικά νέους δρόμους για τη σταθερότητα των συστημάτων κβαντικού υπολογισμού.

Οι βασικές καταστάσεις της ύλης αποτελούν τον θεμέλιο λίθο της κατανόησης μας για τον φυσικό κόσμο, καθορίζοντας τον τρόπο με τον οποίο τα μόρια και τα άτομα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους στον τρισδιάστατο χώρο. Η παραδοσιακή μετάβαση από το στερεό στο υγρό περιλαμβάνει τη διάσπαση της αυστηρής γεωμετρικής δομής ενός κρυστάλλου προς μια χαοτική, ρευστή διάταξη. Η σύγχρονη θεωρητική φυσική έχει πλέον επεκτείνει αυτούς τους κανόνες στην τέταρτη διάσταση, αναλύοντας δομές που επαναλαμβάνονται όχι στον χώρο, αλλά στον χρόνο. 

Μια ερευνητική ομάδα από το Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems στη Γερμανία, με επικεφαλής τους φυσικούς Zuo Wang και Μάριο Χ. Μιχαήλ, διατύπωσε πρόσφατα μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα θεωρία σχετικά με την πιθανή ύπαρξη του «χρονικού υγρού».

Η επιστημονική δημοσίευση, η οποία βρίσκεται στο στάδιο της προέκδοσης μέσω της πλατφόρμας arXiv, προσεγγίζει τη συμπεριφορά της ύλης υπό το πρίσμα ακραίων και ασυνήθιστων συνθηκών, αναλύοντας πώς η συμμετρία χρονικής μετατόπισης μπορεί να αποκατασταθεί μερικώς μέσα σε συστήματα που θεωρητικά θα έπρεπε να κυριαρχούνται από απόλυτη αταξία.

Τι είναι το «χρονικό υγρό» και πώς διαφέρει από τους χρονικούς κρυστάλλους;

Το χρονικό υγρό συνιστά μια θεωρητική κατάσταση της ύλης, στην οποία ένα σύστημα διατηρεί βραχυπρόθεσμη χρονική τάξη ενώ χάνει τη μακροπρόθεσμη συνοχή του. Ενώ οι χρονικοί κρύσταλλοι επαναλαμβάνουν αυστηρά ένα σταθερό μοτίβο συμπεριφοράς στον χρόνο χωρίς διακοπές, το χρονικό υγρό υφίσταται τοπολογικά χρονικά ελαττώματα, επιτρέποντας στο σύστημα να ολισθαίνει εκτός ρυθμού και να μεταβαίνει αυθόρμητα μεταξύ διαφορετικών επαναλαμβανόμενων καταστάσεων.

Για να γίνει κατανοητός ο μηχανισμός, πρέπει να ανατρέξουμε στην απλή οπτική ενός παγακιού. Τα μόρια του νερού στον πάγο σχηματίζουν ένα αυστηρό εξαγωνικό πλέγμα. Καθώς το παγάκι λιώνει, η μακροπρόθεσμη συμμετρία του κρυστάλλου διασπάται και παραχωρεί τη θέση της στο θερμοδυναμικό χάος των ρευστών. Ακόμα και σε αυτή τη ρευστή μορφή, τα μόρια διατηρούν βραχυπρόθεσμες δομικές αλληλεπιδράσεις με τους άμεσους γείτονές τους, αποτρέποντας τη μετατροπή του συνόλου σε απόλυτα ασύνδετα σωματίδια. Η αντίστοιχη χωρική μεταβολή μπορεί να βρει την απόλυτη αντιστοιχία της στον χρόνο, σύμφωνα με τους ερευνητές.

Οι χρονικοί κρύσταλλοι βασίζονται σε δομές των οποίων η επαναλαμβανόμενη δράση οδηγείται από μια εξωτερική πηγή, όπως η περιοδική διέγερση ενός λέιζερ. Ο ρυθμός που προκύπτει παραμένει εντυπωσιακά ανθεκτικός απέναντι σε μικρές διαταραχές του περιβάλλοντος. Το ερώτημα που προκύπτει, ωστόσο, αφορά το τι ακριβώς συμβαίνει όταν η ίδια η κινητήρια δύναμη χάσει τη σταθερότητα της, αντικαθιστώντας τον ρυθμικό παλμό με απρόβλεπτες και ακανόνιστες διακυμάνσεις. Η απάντηση της ερευνητικής ομάδας περιγράφει τη μετάβαση στο διακριτό χρονικό υγρό.

Πώς λειτουργεί το θεωρητικό μοντέλο της ομάδας του Max Planck;

Το μοντέλο των Wang και Μιχαήλ βασίζεται σε ένα δισδιάστατο πλέγμα αλληλεπιδρώντων μαγνητικών σπιν μέσα σε μια ηλεκτρομαγνητική κοιλότητα. Υπό την επίδραση τυχαίων θερμικών διακυμάνσεων, τα σπιν ταλαντώνονται στο ήμισυ της συχνότητας της κοιλότητας, αποδεικνύοντας ότι σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες η θερμική ενέργεια μπορεί να παραγάγει αυθόρμητα τοπική χρονική τάξη, η οποία διασπάται ταχύτατα όταν η θερμοκρασία αυξηθεί υπερβολικά.

Η μεθοδολογία της προσομοίωσης απαίτησε τον σχεδιασμό μιας διάταξης που θυμίζει ένα δίχτυ γεμάτο μικροσκοπικές μαγνητικές βελόνες πυξίδας, τοποθετημένο στο εσωτερικό ενός κλειστού θαλάμου συντονισμού. Αντί να τροφοδοτήσουν το σύστημα με έναν σταθερό κβαντικό παλμό, οι φυσικοί εισήγαγαν θερμική ενέργεια, προκαλώντας χαοτικές θερμικές διακυμάνσεις. Η ηλεκτρομαγνητική συμπεριφορά της κοιλότητας αντέδρασε σε αυτή τη θερμότητα δημιουργώντας ακανόνιστες ταλαντώσεις, οι οποίες με τη σειρά τους εξανάγκασαν τα μαγνητικά σπιν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους.

Λόγω της έμφυτης συχνότητας συντονισμού της κοιλότητας, οι απρόβλεπτες αυτές διακυμάνσεις παρήγαγαν εν τέλει έναν κατά προσέγγιση ρυθμό, έστω και χωρίς εξωτερικό έλεγχο. Οι ερευνητές διαπίστωσαν με έκπληξη πως τα σπιν δεν ακολουθούσαν απλώς τον θόρυβο του περιβάλλοντος, αλλά συγχρονίστηκαν σε έναν ρυθμό που αντιστοιχούσε στο μισό της συχνότητας της κοιλότητας. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του συστήματος, τα σπιν άρχισαν να παρουσιάζουν μικρές διακοπές στον ρυθμό τους, ολισθαίνοντας μεταξύ ισοδύναμων εκδοχών του αρχικού τους μοτίβου. Οι επιστήμονες ονόμασαν αυτές τις διαταραχές «χρονικά σολιτόνια» (time-solitons), τα οποία αποτελούν τις ρωγμές στη μακροπρόθεσμη χρονική συνοχή της διάταξης, επιτρέποντας στο σύστημα να αποκτήσει συμπεριφορά που ομοιάζει απόλυτα με αυτήν ενός συμβατικού υγρού.

Γιατί η συμμετρία χρονικής μετατόπισης αφορά τη σύγχρονη Φυσική;

Η εμφάνιση τάξης μέσα από την εισαγωγή θερμικού θορύβου αποτελεί ένα εντυπωσιακό παράδοξο. Στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, οι διακυμάνσεις παρέμεναν υπερβολικά αδύναμες για να προκαλέσουν οποιοδήποτε επαναλαμβανόμενο μοτίβο. Μόνο σε μια στενή, ενδιάμεση ζώνη θερμοκρασιών κατάφεραν τα μαγνητικά σπιν να σχηματίσουν τον απαραίτητο ρυθμό, ενώ όταν η θερμότητα αυξήθηκε υπερβολικά, η δομή κατέρρευσε εντελώς. Το παραπάνω εύρημα φανερώνει ότι η προσθήκη ενέργειας δεν οδηγεί νομοτελειακά στην εντροπία, αλλά υπό πολύ αυστηρές προϋποθέσεις μπορεί να δομήσει νέα συστήματα κανόνων.

Το βασικό όφελος από τη μελέτη τέτοιων θεωρητικών διατάξεων συνδέεται άμεσα με την αρχή της συμμετρίας χρονικής μετατόπισης, έναν κρίσιμο νόμο της φυσικής που υπαγορεύει ότι οι κανόνες του Σύμπαντος λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο ανεξάρτητα από τη χρονική στιγμή που πραγματοποιείται μια μέτρηση. Ένας χρονικός κρύσταλλος παραβιάζει αυτή τη συμμετρία διαχωρίζοντας συγκεκριμένες στιγμές στον χρόνο μέσω του σταθερού επαναλαμβανόμενου μοτίβου του. Αντίθετα, στο χρονικό υγρό, οι τυχαίες εναλλαγές του ρυθμού αποκαθιστούν αυτή τη συμμετρία κατά μέσο όρο, επιτρέποντας σε τέτοιες καταστάσεις της ύλης να υφίστανται ενδεχομένως και σε συνθήκες θερμικής ισορροπίας, κάτι που μέχρι πρότινος θεωρούνταν μαθηματικά αδύνατο για τους χρονικούς κρυστάλλους.

Παρότι η έννοια του «χρονικού υγρού» ακούγεται υπερβολικά αφηρημένη και θεωρητική, οι προεκτάσεις τέτοιων ανακαλύψεων μεταφράζονται μακροπρόθεσμα σε πρακτικές εφαρμογές στους τομείς των κβαντικών υπολογιστών και της επιστήμης των υλικών. Η ικανότητα ενός συστήματος να διατηρεί τοπική χρονική συνοχή μέσα σε συνθήκες υψηλού θερμικού θορύβου θα μπορούσε να προσφέρει νέες τεχνικές καταστολής σφαλμάτων στα κβαντικά qubits, τα οποία είναι διαβόητα για την ευαισθησία τους στις διακυμάνσεις του περιβάλλοντος.