Επιστήμονες δημιούργησαν χρονικούς κρυστάλλους ορατούς με γυμνό μάτι – «Καταρρίπτουν» τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα

Μια ομάδα φυσικών από το Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης (NYU) παρατήρησε πειραματικά μια νέα και ριζοσπαστική μορφή χρονικού κρυστάλλου, μια εξωτική κατάσταση της ύλης της οποίας τα συστατικά -μακροσκοπικά σωματίδια ορατά με γυμνό μάτι- αιωρούνται πάνω σε ένα στρώμα ηχητικών κυμάτων. 

Τα σωματίδια αυτά αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ανταλλάσσοντας αυτά τα ίδια κύματα, παραβιάζοντας έτσι κατά τη διαδικασία έναν θεμελιώδη νόμο της κλασικής μηχανικής: Τον Τρίτο Νόμο της

Κίνησης του Ισαάκ Νεύτωνα.

Ανακάλυψη νέας μορφής χρονικού κρυστάλλου: Ριζοσπαστική παρέμβαση στους κλασικούς νόμους της φυσικής

Το εύρημα που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters διευρύνει την οικογένεια των συναρπαστικών και σπάνιων φυσικών συστημάτων και αποδεικνύει την υλοποίησή τους σε ένα σύστημα εντυπωσιακής απλότητας: μια συσκευή ύψους μόλις τριάντα εκατοστών που χωράει στην παλάμη του χεριού. Αυτό ανοίγει απρόσμενες προοπτικές για τη μελέτη μη αμφίδρομων φαινομένων με  προεκτάσεις που εκτείνονται από την κβαντική τεχνολογία μέχρι την κατανόηση των κιρκάδιων ρυθμών (του βιολογικού μας ρολογιού).

Οι χρονικοί κρύσταλλοι —μια συλλογή σωματιδίων που “μετρούν τον χρόνο” κινούμενα σε επαναλαμβανόμενους και τακτικούς κύκλους— διατυπώθηκαν θεωρητικά και αργότερα ανακαλύφθηκαν πριν από περίπου μια δεκαετία.

Αν και οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη δημιουργήσει εμπορικές ή βιομηχανικές εφαρμογές για αυτήν την ενδιαφέρουσα μορφή ύλης, αυτοί οι κρύσταλλοι υπόσχονται πολλά για την πρόοδο της κβαντικής υπολογιστικής και της αποθήκευσης δεδομένων, μεταξύ άλλων χρήσεων.

Μια εικόνα διαδοχικών στιγμιοτύπων (stop-motion) που δείχνει ζεύγη σφαιριδίων μεγέθους χιλιοστού να σχηματίζουν έναν χρονικό κρύσταλλο σε διάστημα περίπου ενός τρίτου του δευτερολέπτου. Τα χρώματα αναπαριστούν τα σφαιρίδια να αλληλεπιδρούν σε διαφορετικά στάδια κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Πηγή: Κέντρο Έρευνας Μαλακής Ύλης του NYU

Η αλληλεπίδραση μη αμοιβαίων δυνάμεων: Παραβίαση του Νόμου του Νεύτωνα

Με την πάροδο των ετών, έχουν παρατηρηθεί ή δημιουργηθεί διαφορετικοί τύποι χρονικών κρυστάλλων, των οποίων οι μεταβλητές ιδιότητες προσφέρουν ένα εύρος δυνητικών εφαρμογών. Η παρατήρηση που έγινε τώρα από την ομάδα του NYU, υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Φυσικής David Grier, διευθυντή του Κέντρου Έρευνας Μαλακής Ύλης του πανεπιστημίου, εισάγει μια παραλλαγή της οποίας ο μηχανισμός λειτουργίας προκαλεί την κλασική διαίσθηση.

Ο χρονικός κρύσταλλος που ανακαλύφθηκε αποτελείται από σφαιρίδια αφρού πολυστυρενίου, παρόμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται στις συσκευασίες, τα οποία αιωρούνται στον αέρα μέσω ηχητικών κυμάτων που λειτουργούν ως “ακουστικός αιωρητής”, κρατώντας τα αρχικά ακίνητα σε ένα σταθερό σημείο στον χώρο.

Τα ηχητικά κύματα ασκούν δυνάμεις στα σωματίδια, με τον ίδιο τρόπο που τα κύματα στην επιφάνεια μιας λίμνης μπορούν να ασκήσουν δυνάμεις σε ένα φύλλο που επιπλέει, εξηγεί η Mia Morrell, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο NYU και μια από τους συγγραφείς της έρευνας. «Μπορούμε να εξουδετερώσουμε τη βαρύτητα και να κάνουμε αντικείμενα να αιωρούνται, εμβαπτίζοντάς τα σε ένα ηχητικό πεδίο που ονομάζεται στάσιμο κύμα»

Η πειραματική συσκευή αποτελείται από έναν τρισδιάστατα εκτυπωμένο (3D-printed) σκελετό ύψους δεκαπέντε εκατοστών, πάνω στον οποίο είναι τοποθετημένα κυκλικά ηχεία που παράγουν το ακριβές ακουστικό πεδίο.

Εφαρμογές και επιπτώσεις: Από χρονικούς κρυστάλλους σε βιολογικούς ρυθμούς και κβαντικές τεχνολογίες

Η ιδιαιτερότητα του συστήματος αναδύεται όταν αυτά τα αιωρούμενα σωματίδια αρχίζουν να αλληλεπιδρούν.  Αυτή η αλληλεπίδραση δεν συμβαίνει μέσω άμεσης φυσικής επαφής, αλλά μέσω της ανταλλαγής των ηχητικών κυμάτων που τα ίδια διασκορπίζουν ενώ είναι εμβαπτισμένα στο ακουστικό πεδίο.

Εδώ έγκειται το κλειδί για την παραβίαση του Νευτώνειου νόμου.  Ο Τρίτος Νόμος του Νεύτωνα αξιώνει ότι για κάθε δράση ενός αντικειμένου σε ένα άλλο, υπάρχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση, πράγμα που σημαίνει ότι οι δυνάμεις εμφανίζονται πάντα σε ισορροπημένα ζεύγη, ίσες κατά το μέγεθος και αντίθετες κατά την κατεύθυνση. Ωστόσο, στο σύστημα του NYU, η αλληλεπίδραση που διαμεσολαβείται από τα κύματα είναι εγγενώς άνιση και μη αμφίδρομη (nonreciprocal).

Ο μηχανισμός έχει ως εξής: ένα μεγαλύτερο σωματίδιο διασκορπίζει περισσότερη ηχητική ενέργεια από ένα μικρότερο σωματίδιο. Κατά συνέπεια, όταν δύο σωματίδια διαφορετικών μεγεθών αλληλεπιδρούν μέσω του ακουστικού πεδίου, το μεγάλο σωματίδιο επηρεάζει το μικρό με μεγαλύτερη δύναμη από αυτήν που ασκεί το μικρό σωματίδιο στο μεγάλο.

Η δύναμη αλληλεπίδρασης δεν σχηματίζει ένα ισορροπημένο ζεύγος. Φανταστείτε δύο φέρι μποτ διαφορετικών μεγεθών που πλησιάζουν μια αποβάθρα, προτείνει η Morrell για να επεξηγήσει την έννοια.

Το καθένα δημιουργεί κύματα στο νερό που σπρώχνουν το άλλο, αλλά σε διαφορετικό βαθμό, ανάλογα με το μέγεθός τους. Αυτή η ασυμμετρία σπάει την αμοιβαιότητα που απαιτεί ο Νεύτωνας.

                     

Ο «χορός» της ύλης: Ένας ρυθμός χωρίς Νευτώνειους περιορισμούς

«Απαλλαγμένα από τον περιορισμό των ισορροπημένων ζευγών δυνάμεων δράσης-αντίδρασης, τα αιωρούμενα σφαιρίδια αποκτούν την ικανότητα να κινούνται αυθόρμητα και συντονισμένα, ταλαντευόμενα στον αέρα ενώ ορίζουν έναν ακριβή και επαναλαμβανόμενο χρονικό ρυθμό — την οριστική υπογραφή ενός χρονικού κρυστάλλου. Αυτός ο ρυθμός, αυτό το “τικ-τακ” του συστήματος, είναι άμεση συνέπεια της δυναμικής ισορροπίας μεταξύ των μη αμοιβαίων δυνάμεων που δέχονται τα σωματίδια. Το σύστημά μας είναι αξιοσημείωτο επειδή είναι απίστευτα απλό, δηλώνει ο καθηγητής Grier, επικεφαλής συγγραφέας του άρθρου. 

Οι χρονικοί κρύσταλλοι είναι συναρπαστικοί λόγω των δυνατοτήτων που προσφέρουν, αλλά και επειδή φαίνονται τόσο εξωτικοί και περίπλοκοι. Εδώ, παρατηρήσαμε έναν που μπορείς να δεις και του οποίου τη συσκευή μπορείς να κρατήσεις στα χέρια σου.»

Οι προεκτάσεις αυτής της εργασίας ξεπερνούν τις προόδους στη θεμελιώδη φυσική της ύλης.  Αποδεικνύοντας ξεκάθαρα και απομονώνοντας τις μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις σε ένα ελεγχόμενο και μακροσκοπικό μοντέλο, η έρευνα παρέχει ένα ισχυρό αναλογικό εργαλείο για την εξερεύνηση παρόμοιων φαινομένων σε άλλους επιστημονικούς τομείς.

Βιολογικές προεκτάσεις: Ξεκλειδώνοντας τους κιρκάδιους ρυθμούς

Συγκεκριμένα, η μελέτη προσφέρει νέες προοπτικές για την κατανόηση των εσωτερικών βιολογικών μας ρολογιών, ή αλλιώς των κιρκάδιων ρυθμών.  Αυτό συμβαίνει επειδή, με τρόπο ανάλογο με τον νεοανακαλυφθέντα χρονικό κρύσταλλο, ορισμένα βιοχημικά δίκτυα που ρυθμίζουν τις σωματικές λειτουργίες —συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο ο οργανισμός μας διασπά την τροφή— παρουσιάζουν επίσης μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις, όπου η επίδραση ενός στοιχείου σε ένα άλλο δεν είναι ίση με την αντίστροφη.

Η παρατήρηση αυτού του ακουστικού και μη αμοιβαίου χρονικού κρυστάλλου αντιπροσωπεύει, επομένως, ένα σημείο σύγκλισης μεταξύ της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης, της δυναμικής πολύπλοκων ρευστών και της συστημικής βιολογίας.

 

Διευρύνει τον κατάλογο των ιδιοτήτων και των μηχανισμών υλοποίησης των χρονικών κρυστάλλων, ενισχύοντας τις δυνατότητές τους ως πλατφόρμες για την ανάπτυξη τεχνολογιών ακριβείας, όπως αισθητήρες ή εξαρτήματα για ισχυρές κβαντικές μνήμες, όπου η περιοδική χρονική σταθερότητα αποτελεί πολύτιμο πόρο. Όλα αυτά αποδείχθηκαν σε μια επιτραπέζια εγκατάσταση όπου σωματίδια αφρού, παγιδευμένα σε έναν ψίθυρο ήχου, χορεύουν στον ρυθμό μιας φυσικής που ο Νεύτωνας δεν θα μπορούσε να είχε προβλέψει.

Από το enikos