Eksoottinen kvantti-ilmiö luo aikakiteitä

Luonnossa on monia rytmejä: vuodenajat ovat seurausta Maan liikkeestä Auringon ympäri, heilurikellon tikitys puolestaan johtuu heilurin liikkeestä. Nämä ilmiöt voidaan ymmärtää hyvin yksinkertaisilla yhtälöillä.

Säännölliset rytmit voivat kuitenkin syntyä myös täysin eri tavalla – itsestään, ilman ulkoista kelloa, monien hiukkasten monimutkaisen vuorovaikutuksen kautta.

Tasaisen epäjärjestyksen sijaan syntyy kiinteä rytmi – tätä kutsutaan "aikakiteeksi". TU Wienin uudet laskelmat osoittavat, että tällaisia aikakiteitä voi syntyä myös täysin eri tavalla kuin aiemmin on ajateltu. Hiukkasten väliset kvanttifysikaaliset korrelaatiot, joiden aiemmin ajateltiin olevan haitallisia tällaisten ilmiöiden syntymiselle, voivat itse asiassa vakauttaa aikakiteitä. Tämä on yllättävä uusi näkemys monihiukkasjärjestelmien kvanttifysiikkaan.

Kun neste jäätyy, hiukkaset muuttavat avaruudellista järjestystään: Nesteessä ne liikkuvat villisti ja sattumanvaraisesti, ilman rakennetta. Kun neste jäätyy, muodostuu kide, jossa yksittäiset hiukkaset sijaitsevat jämäkästi tietyissä paikoissa hyvin säännöllisessä kuviossa. Nyt neste näyttää samalta kaikkialla, sillä on samat ominaisuudet kaikkialla ja joka suuntaan, se on täysin symmetrinen. Yksittäisessä kiteessä tämä symmetria kuitenkin rikkoutuu: yhtäkkiä on olemassa säännöllinen rakenne, on suunta, joka eroaa muista suunnista.

Voiko tällaista symmetrian rikkoutumista tapahtua myös ajassa? Onko mahdollista, että kvanttijärjestelmä on aluksi ajallisesti epäjärjestyksessä, että jokainen ajankohta on sama kuin jokainen muu, mutta että ajallinen järjestys kuitenkin syntyy?

”Tämä kysymys on ollut intensiivisen kvanttifysiikan tutkimuksen kohteena yli kymmenen vuoden ajan”, sanoo väitöskirjatutkija Felix Russo. Itse asiassa on osoitettu, että niin sanotut aikakiteet ovat mahdollisia – järjestelmät, joissa ajallinen rytmi muodostuu ilman ulkopuolelta määritettyä rytmiä.

”Aiemmin kuitenkin ajateltiin, että tämä oli mahdollista vain hyvin spesifisissä järjestelmissä, kuten kvanttikaasuissa, joiden fysiikkaa voidaan hyvin kuvata keskiarvoilla ilman, että tarvitsee ottaa huomioon kvanttifysiikassa väistämättömiä satunnaisia vaihteluita”, Felix Russo sanoo. ”Olemme nyt osoittaneet, että juuri hiukkasten väliset kvanttifysikaaliset korrelaatiot, joiden aiemmin ajateltiin estävän aikakiteiden muodostumisen, voivat johtaa aikakiteisten faasien syntymiseen.”

Hiukkasten väliset monimutkaiset kvanttivuorovaikutukset aiheuttavat kollektiivista käyttäytymistä, jota ei voida selittää yksittäisten hiukkasten tasolla – samalla tavalla kuin sammuneen kynttilän savu voi joskus muodostaa säännöllisen sarjan savurenkaita; ilmiö, jonka rytmiä ei sanella ulkopuolelta eikä sitä voida ymmärtää yksittäisistä savuhiukkasista lähtien.

”Tutkimme lasersäteiden paikoillaan pitämien hiukkasten kaksiulotteista hilaa”, Felix Russo sanoo. ”Ja tässä voimme osoittaa, että hilan tila alkaa värähdellä – hiukkasten välisen kvanttivuorovaikutuksen vuoksi.”

Tutkimus tarjoaa mahdollisuuden ymmärtää paremmin kvanttisten monikappalejärjestelmien teoriaa – tasoittaa tietä uusille kvanttiteknologioille tai erittäin tarkoille kvanttimittaustekniikoille.

Aiheesta aiemmin:

Aikakiteitä nestekiteistä

Paholaisen askelmat aikakiteessä

Käyttökelpoisia aikakiteitä