Tutkijat löysivät klassisia aika-avaruuskiteitä nestekiteistä

Uusi kokeellinen näyttö osoittaa, että diskreettejä aika-avaruuskiteitä voidaan toteuttaa klassisissa pehmeän aineen järjestelmissä.

Hiroshiman ja Coloradon yliopistojen ja heidän yhteistyökumppaneiden tutkimusryhmä on osoittanut, että aika-avaruuskiteitä voidaan luoda käyttämällä kiraalisia nestekidemateriaaleja.

Viimeisen vuosikymmenen ajan fyysikoita ovat kiehtoneet aikakiteet. Toisin kuin tavallisilla kiteillä, joilla on toistuvia molekyylikuvioita avaruudellisesti, aikakiteillä on kuvioita, jotka toistuvat säännöllisin väliajoin ajan suhteen.

Aiemmin tieteilijät uskoivat, että nämä omituiset rakenteet voisivat esiintyä vain erittäin monimutkaisissa, hauraissa kvanttijärjestelmissä lähes absoluuttisessa nollapisteessä, kuten loukkuun jääneissä ioneissa tai kvanttisimulaattoreissa.

Nature Communications -lehdessä julkaistussa yhteistyötutkimuksessa tutkijat ovat kuitenkin onnistuneesti luoneet niitä klassisessa, huoneenlämmössä toimivassa nestekidejärjestelmässä.

Tämän saavuttamiseksi tiimi otti nestekidemateriaalin ja seosti sen ionisilla aineilla. Sitten he kohdistivat nesteeseen rytmisen, toistuvan sähköisen signaalin. Käyttämällä edistyneitä tietokonemalleja ja optisia mikroskooppeja tutkijat havaitsivat yllättävän ilmiön, joka tunnetaan nimellä periodin kaksinkertaistuminen.

Tutkijat havaitsivat, että tätä ainutlaatuista rytmiä ohjaavat nesteen pienten, paikallisten rakenteiden, joita kutsutaan topologisiksi solitoneiksi ja disklinaatioiksi, liike. Nestekiteissä topologiset solitonit ovat tasaisia, pysyviä kierteitä, jotka kulkevat kuin vakaat aaltopaketit materiaalin läpi, kun taas disklinaatiot ovat teräviä rakenteellisia epäsuhdeviivoja, joissa molekyylien siisti linjaus hajoaa kokonaan.

Jännitteen muuttuessa nämä mikroskooppiset piirteet muuttavat, tuhoavat ja luovat toisiaan jatkuvasti uudelleen. Nämä muuttuvat tilat käyttäytyvät täsmälleen samalla tavalla kuin Majorana-hiukkasten hiukkas-antihiukkasparit, kuuluisan ja vaikeasti havaittavan kvanttihiukkasten luokan, jotka ovat omia antihiukkasiaan. Tässä järjestelmässä ne toimivat näiden kvanttiobjektien klassisena, reaalimaailman analogina.

Tämä löytö viittaa siihen, että monimutkaiset aika-avaruussymmetriat eivät rajoitu kvanttimaailmaan; ne voivat syntyä avoimissa, klassisissa pehmeissä materiaaleissa. Tutkimus avaa luonnollisesti oven aivan uudelle kentälle, jota tiedemiehet kutsuvat aikanestekiteisyydeksi, jossa nestemäisiä materiaaleja voidaan järjestää ajan kuluessa pelkän avaruuden sijaan.

Koska nestekiteet ovat jo olennainen osa modernia elektroniikkaa, näitä kestäviä, hallittuja aika-avaruuskiteitä voitaisiin käyttää seuraavan sukupolven optisten laitteiden, kuten uudelleenkonfiguroitavien laserelementtien, edistyneiden säteenohjaimien ja erittäin tarkkojen valonohjainten, suunnittelussa.

Aiheesta aiemmin:

Aikakiteitä nestekiteistä

Eksoottinen kvantti-ilmiö luo aikakiteitä

Lähes ikiliikkuva aikakide voi kasvattaa kvanttitietokoneiden laskentatehoa