Scientists confirm brand new form of matter: time crystals

Vreemd verhaal, als in, wat is deze?

Inderdaad... vreemd verhaal. Weet niet precies wat ik ervan moet denken.

01-02-2017

Raadselachtige tijdkristallen voor het eerst in het lab gemaakt

Een wilde theorie is werkelijkheid geworden. Twee teams van fysici hebben onafhankelijk van elkaar een raadselachtige vorm van materie gecreëerd: tijdkristallen. Dit zijn kristallen die voortdurend in beweging zijn zonder energie te verliezen.

MIT-natuurkundige en Nobellaureaat Frank Wilczek speculeerde in 2012 als eerste over het bestaan van tijdkristallen. Dat deed hij terwijl hij college gaf over gewone kristalstructuren zoals zout en sneeuwvlokken. In zo’n kristal zijn de atomen en moleculen gerangschikt in een regelmatig patroon in de driedimensionale ruimte.


In plaats van herhaalde rijen van atomen vertoont een tijdkristal herhaalde beweging van atomen.

Wilczek dacht dat het wellicht mogelijk was een vergelijkbare kristalstructuur te creëren in de tijddimensie. In plaats van regelmatig herhalende rijen van atomen zou zo’n tijdkristal regelmatig herhalende beweging vertonen.

Veel fysici waren hier sceptisch over. Ze stelden dat een tijdkristal waarvan de atomen eeuwig in beweging zijn, zonder extra benodigde energie, gelijk zou staan aan een perpetuum mobile. Dat is een denkbeeldig, voortdurend bewegend apparaat dat volgens de wetten van de natuurkunde niet kan bestaan.

Wilczek bracht daartegenin dat je een tijdkristal eerder moet vergelijken met supergeleidend materiaal. In een supergeleider ondervinden elektronen geen weerstand. In theorie kunnen ze eeuwig blijven stromen zonder dat het systeem extra energie nodig heeft.

Blauwdruk

In een tijdkristal stromen elektronen niet in een lijn, maar in een cirkel. Bovendien stromen ze niet vloeiend, maar klonteren ze af en toe samen. Dat samenklonteren herhaalt zich in tijd op dezelfde manier als waarop atomen in normale kristallen zich ruimtelijk herhalen.


Een sneeuwkristal is wel voortdurend in evenwicht.

In een publicatie in Physical Review Letters onthult natuurkundige Norman Yao van de universiteit van Californië nu een blauwdruk voor het maken van een tijdkristal. Twee andere teams van onderzoekers hebben dit recept al met succes gevolgd.

Het tijdkristal van Yao vereist een externe kracht, bijvoorbeeld een laserpuls, om de beweging aan te zwengelen. De laserpuls verandert dan de magnetische spin van een geladen deeltje in het kristal. Dit is een quantummechanische eigenschap die je kunt zien als de draaiing van het deeltje.

De spin van elk kristaldeeltje is verbonden met die van andere deeltjes. Als de laserpuls de spin van één deeltje verandert, verandert dat deeltje op zijn beurt de spin van het volgende deeltje, en zo verder. Dat plaatst het systeem in een herhalend patroon van periodieke beweging.

Ytterbium

Een tijdkristal moet aan twee kritieke voorwaarden voldoen. Na de initiële aanzwengeling moet het een gesloten systeem zijn, dat geen interacties kan aangaan met de omgeving en dus geen energie kan verliezen. Daarnaast moeten interacties tussen quantumdeeltjes de drijvende kracht zijn achter de stabiliteit van het tijdkristal.


Natuurkundigen van de University of Maryland maakten een tijdkristal uit een reeks gevangen ytterbiumionen. Beeld: Chris Monroe, University of Maryland.

Aan de hand van Yao’s recept hebben twee onderzoeksteams inmiddels tijdkristallen in het lab gemaakt. In september maakten natuurkundigen van de University of Maryland een tijdkristal uit een reeks gevangen ytterbiumionen. Een maand later deed een team van de Harvard University hetzelfde door kleine mankementen in diamant te benutten. Beide teams hebben een artikel ter publicatie ingediend.

De twee benaderingen leverden allebei een herhalend bewegingspatroon waarvan de periode twee keer zo groot is als de periode waarmee de laser zijn pulsen uitzendt. Wanneer deze perioden van elkaar verschillen, is dat het bewijs dat je een uit zichzelf bewegend tijdkristal hebt gemaakt, en niet een gewoon kristal dat door de laser wordt aangestuurd.

Quantumcomputer

Tijdkristallen zijn meer dan een curiositeit. Ze vertegenwoordigen de eenvoudigste vorm van een toestand van materie die fysici pas sinds kort onderzoeken: materie die standaard uit evenwicht is. Volgens Spyridon Michalakis, natuurkundige aan het California Institute of Technology en niet betrokken bij het onderzoek, ‘overbrugt Yao’s werk de kloof tussen theorie en experiment door concrete suggesties voor experimenteel onderzoek te doen.’

Tijdkristallen kunnen van pas komen bij het maken van stabiele qubits: de bouwstenen van quantumcomputers. Om informatie op te slaan vereisen deze apparaten dat de qubits in een stabiele toestand van verstrengeling verkeren. Een minieme verstoring van buitenaf zal die stabiliteit echter verbreken, wat leidt tot fouten in de berekeningen.

Een manier om dit te voorkomen is door de qubits zorgvuldig te isoleren. Maar beter is het om bouwstenen te maken die van zichzelf wat robuuster zijn – bijvoorbeeld door qubits in elkaar te vlechten. Op die manier krijg je vormen van materie analoog aan tijdkristallen.

(newscientist.nl)

Pffff. Dit gaat mij te boven.

Bij zo'n topic zou je een gif verwachten, maar de enige die ik vind is één uit 2014:


geeft wel het principe weer (periodiek terugkerende vorm), maar denk niet dat het veel overeenkomst vertoont met de kristallen die ze gecreëerd hebben.

Ligt het trouwens aan mij, of is die grafische voorstelling intrinsiek irritant/tijdverspillend?

bijhorende tekst:
A one-dimensional chain of ytterbium ions was turned into a time crystal by physicists at the University of Maryland, based on a blueprint provided by UC Berkeley’s Norman Yao. Each ion behaves like an electron spin and exhibits long-range interactions indicated as arrows.

Kostte me enige tijd voor ik doorhad dat het zeven identieke tekeningen/symbolen waren, en zelfs nu ik dat weet lijkt m'n blik haast automatisch op zoek te gaan naar verschillen, telkens ik ernaar kijk...

quote:

Op zondag 5 februari 2017 10:20 schreef pfaf het volgende:
Pffff. Dit gaat mij te boven.

Het idee erachter is niet zo heel erg ingewikkeld

Je construeert een theorie voor een bepaald fenomeen op basis van de symmetrieën. Deze symmetrieën zitten in de bewegingsvergelijkingen. Vervolgens hebben deze bewegingsvergelijkingen oplossingen, en deze oplossingen breken in het algemeen een deel van de symmetrieën. Een bekend voorbeeld is Newtons zwaartekrachtswet: deze formule is invariant onder rotaties in de ruimte, maar bv de ellipsen van planeetbanen zijn niet meer invariant onder rotaties in de ruimte (en ook niet ander translaties in de ruimte). Of denk aan ons zwaartekrachstveld op aarde, waar er duidelijk een voorkeursrichting is. Het Higgsveld is een ander bekend voorbeeld wat ook zoiets doet, maar dan niet met ruimtetijd-symmetrieën maar zgn. ijksymmetrieën. Een detail wat verder niet belangrijk is

Omdat de oplossingen de symmetrieën breken, noemen we dit spontante symmetriebreking. Spontaan, omdat we niet expliciet met de hand termen aan de bewegingsvergelijkingen toevoegen die de symmetrieën verbreken, maar "de oplossingen zelf de symmetrieën laten verbreken". De moraal hiervan is dus dat oplossingen meestal een deel van de symmetrieën van de bewegingsvergelijkingen breken!

Een kristal wordt net zo beschreven met een theorie die rotatie- en translatiesymmetrieën bevat, alleen zal het kristalrooster zelf een deel van deze symmetrieën breken. Dit zijn symmetrieën in de ruimte. Wat Wilczek nu voorstelde, waren kristallen die symmetrieën in de tijd (!) spontaan breken. De laagste energietoestand van een systeem is meestal een enkel punt in je configuratieruimte en verandert niet in de tijd. Er is dus symmetrie onder tijdstranslaties: er verandert niks als je de tijd t vervangt door t+T, met T constant. Maar Wilczek stelde een klasse kristallen voor die deze tijdstranslaties wel degelijk breken, waardoor je dus een laagste energie toestand krijgt die echter dynamisch is. Er is zo dynamica terwijl je op hetzelfde laagste energieniveau blijft.

Een belangrijk verschil tussen klassieke theorieën en kwantumtheorieën is overigens het zgn. Goldstone-fenomeen: als je bepaalde symmetrieën spontaan breekt in een kwantumtheorie, dan krijg je al gauw zgn. Goldstone-deeltjes. In het Higgsmechanisme worden deze Goldstonedeeltjes "opgegeten" door massaloze deeltjes waardoor ze massief worden. Iets soortgelijks zie je in het Meissner-effect, waarbij magnetische velden worden afgestoten door supergeleiders en fotonen daardoor massief lijken. Ik verwacht dus ook dat er bij deze tijdskristallen Goldstone-deeltjes tevoorschijn komen, maar hoe en wat precies weet ik verder niet.

Hoop dat dit wat duidelijk maakt

[ Bericht 3% gewijzigd door Haushofer op 07-02-2017 08:48:24 ]

quote:

Op dinsdag 7 februari 2017 08:39 schreef Haushofer het volgende:

[..]

Hoop dat dit wat duidelijk maakt

quote:

Op dinsdag 7 februari 2017 08:39 schreef Haushofer het volgende:

[..]

Het idee erachter is niet zo heel erg ingewikkeld

Je construeert een theorie voor een bepaald fenomeen op basis van de symmetrieën. Deze symmetrieën zitten in de bewegingsvergelijkingen. Vervolgens hebben deze bewegingsvergelijkingen oplossingen, en deze oplossingen breken in het algemeen een deel van de symmetrieën. Een bekend voorbeeld is Newtons zwaartekrachtswet: deze formule is invariant onder rotaties in de ruimte, maar bv de ellipsen van planeetbanen zijn niet meer invariant onder rotaties in de ruimte (en ook niet ander translaties in de ruimte). Of denk aan ons zwaartekrachstveld op aarde, waar er duidelijk een voorkeursrichting is. Het Higgsveld is een ander bekend voorbeeld wat ook zoiets doet, maar dan niet met ruimtetijd-symmetrieën maar zgn. ijksymmetrieën. Een detail wat verder niet belangrijk is

Omdat de oplossingen de symmetrieën breken, noemen we dit spontante symmetriebreking. Spontaan, omdat we niet expliciet met de hand termen aan de bewegingsvergelijkingen toevoegen die de symmetrieën verbreken, maar "de oplossingen zelf de symmetrieën laten verbreken". De moraal hiervan is dus dat oplossingen meestal een deel van de symmetrieën van de bewegingsvergelijkingen breken!

Een kristal wordt net zo beschreven met een theorie die rotatie- en translatiesymmetrieën bevat, alleen zal het kristalrooster zelf een deel van deze symmetrieën breken. Dit zijn symmetrieën in de ruimte. Wat Wilczek nu voorstelde, waren kristallen die symmetrieën in de tijd (!) spontaan breken. De laagste energietoestand van een systeem is meestal een enkel punt in je configuratieruimte en verandert niet in de tijd. Er is dus symmetrie onder tijdstranslaties: er verandert niks als je de tijd t vervangt door t+T, met T constant. Maar Wilczek stelde een klasse kristallen voor die deze tijdstranslaties wel degelijk breken, waardoor je dus een laagste energie toestand krijgt die echter dynamisch is. Er is zo dynamica terwijl je op hetzelfde laagste energieniveau blijft.

Een belangrijk verschil tussen klassieke theorieën en kwantumtheorieën is overigens het zgn. Goldstone-fenomeen: als je bepaalde symmetrieën spontaan breekt in een kwantumtheorie, dan krijg je al gauw zgn. Goldstone-deeltjes. In het Higgsmechanisme worden deze Goldstonedeeltjes "opgegeten" door massaloze deeltjes waardoor ze massief worden. Iets soortgelijks zie je in het Meissner-effect, waarbij magnetische velden worden afgestoten door supergeleiders en fotonen daardoor massief lijken. Ik verwacht dus ook dat er bij deze tijdskristallen Goldstone-deeltjes tevoorschijn komen, maar hoe en wat precies weet ik verder niet.

Hoop dat dit wat duidelijk maakt

Dus die laagste energietoestand is tijdsafhankelijk? Dus zo'n kristal blijft in zijn laagste energie toestand maar die toestand is niet constant. En de laagste energie is dus dynamisch wel altijd de laagste maar niet altijd op dezelfde waarde.

Ik vraag me dan af wat bepaald de toekomstige toestand? Is dat de voorgaande staat of iets anders?

Zijn natuurlijk direct toepassingen te bedenken als klok als je zo'n kristal kunt uitlezen.

Waarom is de TT trouwens in het engels

quote:

Op woensdag 8 februari 2017 16:52 schreef Bosbeetle het volgende:
Waarom is de TT trouwens in het engels

Het is letterlijk de titel van het bronartikel.

Zou voor de wetenschappers op FOK toch geen probleem moeten zijn, denk ik?

quote:

Op woensdag 8 februari 2017 17:06 schreef Molurus het volgende:

[..]

Het is letterlijk de titel van het bronartikel.

Zou voor de wetenschappers op FOK toch geen probleem moeten zijn, denk ik?

Nee maar het staat zo lelijk

quote:

Op woensdag 8 februari 2017 18:24 schreef Bosbeetle het volgende:

[..]

Nee maar het staat zo lelijk

Als ik iets lelijk vind is het wel de Nederlandse taal. Zeker in vergelijking met Engels.

Ik snap er niks van. Kan iemand dit zo uit leggen dat een twaalfjarige het begrijpt?

quote:

Op donderdag 9 februari 2017 17:37 schreef WoordenShuffelaar het volgende:
Ik snap er niks van. Kan iemand dit zo uit leggen dat een twaalfjarige het begrijpt?

Een kristal is een stof met een regematig patroon. (zoals in behang maar dan 3d)
Het blokje in het patroon wordt telkens herhaalt.
Deze nieuwe stof blijkt ook nog een regelmatig patroon in de tijd te hebben.

quote:

Op donderdag 9 februari 2017 18:31 schreef Bosbeetle het volgende:

[..]

Een kristal is een stof met een regematig patroon. (zoals in behang maar dan 3d)
[ afbeelding ] Het blokje in het patroon wordt telkens herhaalt.
Deze nieuwe stof blijkt ook nog een regelmatig patroon in de tijd te hebben.

Ok, ik begrijp dit soort van, maar hoe maakt dit een perpetual motion machine mogelijk?

quote:

Op donderdag 9 februari 2017 18:48 schreef WoordenShuffelaar het volgende:

[..]

Ok, ik begrijp dit soort van, maar hoe maakt dit een perpetual motion machine mogelijk?

Een 3D figuur kun je beschrijven als een functie van 3 coordinaten. Zeg, f(x, y, z).

Voor elk kristal is er dus een specifieke f_kristal(x, y, z) die dat kristal beschrijft.

Waar dit topic over gaat zijn kristallen die niet statisch zijn in de ruimte, maar die kristalvormig zijn in de tijd. Dus, zeg, f_kristal(x, y, z, t) waarin t de tijdsdimensie is.

Het is dus een vorm die niet statisch is, maar die (regelmatig) verandert in de tijd. Die verandering gaat niet gepaard met energieverlies omdat er verder geen wrijving of andere verschijnselen zijn die de boel afremmen en/of warmte produceren. (Vergelijk het met supergeleiding of, in mindere mate, de rotatie van de aarde.)

Voor de mensen hier die het beter begrijpen dan ik, corrigeer me als ik hier iets zeg dat niet klopt.

quote:

Op donderdag 9 februari 2017 19:00 schreef Molurus het volgende:

[..]

Een 3D figuur kun je beschrijven als een functie van 3 coordinaten. Zeg, f(x, y, z).

Voor elk kristal is er dus een specifieke f_kristal(x, y, z) die dat kristal beschrijft.

Waar dit topic over gaat zijn kristallen die niet statisch zijn in de ruimte, maar die kristalvormig zijn in de tijd. Dus, zeg, f_kristal(x, y, z, t) waarin t de tijdsdimensie is.

Het is dus een vorm die niet statisch is, maar die (regelmatig) verandert in de tijd. Die verandering gaat niet gepaard met energieverlies omdat er verder geen wrijving of andere verschijnselen zijn die de boel afremmen en/of warmte produceren. (Vergelijk het met supergeleiding of, in mindere mate, de rotatie van de aarde.)

Voor de mensen hier die het beter begrijpen dan ik, corrigeer me als ik hier iets zeg dat niet klopt.

Ah dat is wel duidelijk. Dit soort berichten geven mij altijd het gevoel dat we in de toekomst leven.

Weten ze ook een manier om dit om te zetten in een vorm van energie die we kunnen gebruiken?

quote:

Op donderdag 9 februari 2017 20:49 schreef WoordenShuffelaar het volgende:

[..]

Weten ze ook een manier om dit om te zetten in een vorm van energie die we kunnen gebruiken?

Nope, dat zou energie aan het systeem onttrekken en daarmee de structuur breken, of minimaal veranderen.

En in toevoeging op wat ik eerder zei:

Merk op dat statische 3D kristallen f_kristal(x, y, z) een subset zijn van tijdkristallen f_kristal(x, y, z, t). Net zoals platte kristallen f_kristal(x, y) een subset zijn van 3D kristallen f_kristal(x, y, z).

Ik snap erg geen hol van.

Kan dit gebruikt worden om een tijdmachine te maken?

quote:

Op donderdag 9 februari 2017 21:18 schreef Roland_Deschain het volgende:

Kan dit gebruikt worden om een tijdmachine te maken?

Helaas, maar nee.

Als er geen tijdmachine mogelijk is waarmee je op en neer in de tijd kunt reizen, is het misschien wel mogelijk om alleen naar de toekomst te reizen.
In feite doen we dat ook allemaal, maar nu zou je iemand in een tijdkristal kunnen opsluiten en hem 500 jaar later er weer uit laten stappen.

quote:

Op dinsdag 28 februari 2017 22:07 schreef Schonedal het volgende:
Als er geen tijdmachine mogelijk is waarmee je op en neer in de tijd kunt reizen, is het misschien wel mogelijk om alleen naar de toekomst te reizen.
In feite doen we dat ook allemaal, maar nu zou je iemand in een tijdkristal kunnen opsluiten en hem 500 jaar later er weer uit laten stappen.

Doet me denken aan deze aflevering van doctor who:

SPOILER

Om spoilers te kunnen lezen moet je zijn ingelogd. Je moet je daarvoor eerst gratis Registreren. Ook kun je spoilers niet lezen als je een ban hebt.

Ja, soms denk ik ook wel dat ik teveel SF gelezen heb.

quote:

Op dinsdag 28 februari 2017 22:07 schreef Schonedal het volgende:
Als er geen tijdmachine mogelijk is waarmee je op en neer in de tijd kunt reizen, is het misschien wel mogelijk om alleen naar de toekomst te reizen.
In feite doen we dat ook allemaal, maar nu zou je iemand in een tijdkristal kunnen opsluiten en hem 500 jaar later er weer uit laten stappen.

Hehe het tijd kristal doet niets met de tijd, de tijd doet iets met het kristal...

Maarja tijd bestaat toch niet dus waar doen we moeilijk over