Χρονοκρύσταλλοι: Νέα εξωτική μορφή ύλης

Το αλάτι, οι νιφάδες του χιονιού και τα διαμάντια αποτελούν όλα παραδείγματα κρυστάλλων, καθώς τα άτομά τους διατάσσονται σε τρισδιάστατα πλέγματα, τα οποία επαναλαμβάνονται σε όλη την έκτασή τους. Δίπλα σε αυτή τη μορφή ύλης, Αμερικανοί επιστήμονες πρόσθεσαν τους χρονοκρυστάλλους, δηλαδή υλικά στα οποία τα άτομα ακολουθούν μοτίβα που δεν επαναλαμβάνονται στον χώρο, αλλά στον χρόνο.

Η σύνθεση χρονοκρυστάλλων άνοιξε τον δρόμο για έναν εντελώς νέο «κόσμο» υλικών, τα οποία βρίσκονται σε συνθήκες μη ισορροπίας.

Πιο συγκεκριμένα, σε έναν χρονοκρύσταλλο, τα άτομα δεν καταλήγουν σε μία κατάσταση θερμικής ισορροπίας, στην οποία όλα έχουν την ίδια ποσότητα θερμικής ενέργειας. Πρόκειται για μία «εξωτική» μορφή ύλης που είχε προβλεφθεί θεωρητικά εδώ και μερικά χρόνια, χωρίς ωστόσο μέχρι σήμερα να έχει δημιουργηθεί.

Σύμφωνα με τον Andrew Potter, αναπληρωτή καθηγητή φυσικής στο πανεπιστήμιο του Τέξας και μέλος της ομάδας, η σύνθεση χρονοκρυστάλλων άνοιξε τον δρόμο για έναν εντελώς νέο «κόσμο» υλικών, τα οποία βρίσκονται σε συνθήκες μη ισορροπίας.

«Με βάση αυτές τις θεωρητικές ιδέες, που διατυπώθηκαν πριν από μερικά χρόνια, καταφέραμε να τους συνθέσουμε στο εργαστήριο. Ελπίζουμε πως πρόκειται για το πρώτο παράδειγμα, καθώς θα ακολουθήσουν και άλλα», λέει στην ιστοσελίδα του πανεπιστημίου.

Μερικά από αυτά τα υλικά, ίσως αποδειχθούν στην πορεία χρήσιμη για την αποθήκευση ή τη μεταφορά δεδομένων σε κβαντικούς υπολογιστές.

Ο Andrew Potter μαζί με συναδέλφους του από το πανεπιστήμιο, αλλά και άλλους ερευνητές από το Χάρβαρντ, το Μπέρκλεϊ και το πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, συνέθεσαν τον χρονοκρύσταλλο από ηλεκτρικά φορτισμένα άτομα (ιόντα) του στοιχείου υπέρβιο. Εφαρμόζοντας το κατάλληλο ηλεκτρικό πεδίο, έκαναν 10 τέτοια ιόντα να αιωρούνται πάνω από μία επιφάνεια.

Στη συνέχεια, άρχισαν να τα «βομβαρδίζουν» με παλμούς λέιζερ, ώστε με κάθε παλμό να αλλάζουν τη φορά που περιστρέφονται (ή πιο σωστά, το σπιν τους).

Έτσι, παρατήρησαν πως οι εναλλαγές της φοράς των ατόμων ακολουθούσε ένα συγκεκριμένο μοτίβο και επαναλαμβανόταν μάλιστα με τη μισή συχνότητα εκπομπής των παλμών.

Όπως περιγράφουν χαρακτηριστικά οι επιστήμονες, είναι να σαν χτυπά κανείς δύο φορές το δευτερόλεπτο τα πλήκτρα ενός πιάνου και να ακούει μόνο μία νότα κάθε δευτερόλεπτο. Μία παράξενη κβαντική συμπεριφορά που αποτελεί χαρακτηριστική «υπογραφή» ότι είχαν δημιουργήσει ένα χρονοκρύσταλλο.

Η πρόβλεψη για την ύπαρξη αυτής της «εξωτικής» μορφής ύλης έγινε το 2012, από τον νομπελίστα φυσικό Frank Gouiltsek του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Η ομάδα τη συνέθεσε στο εργαστήριο τον περασμένο Σεπτέμβριο, ωστόσο η εργασία τους δημοσιεύτηκε τώρα στο περιοδικό Nature.

Στο χρονικό διάστημα που μεσολάβησε, οι ερευνητές του Χάρβαρντ δημιούργησαν ένα δεύτερο χρονοκρύσταλλο, αυτή τη φορά από διαμάντι.