Các nhà nghiên cứu phòng thí nghiệm Berkeley đề xuất một cách để xây dựng tinh thể không gian thời gian đầu tiên.
Tín dụng hình ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley.
Hãy tưởng tượng một chiếc đồng hồ sẽ giữ thời gian hoàn hảo mãi mãi, ngay cả sau cái chết nóng của vũ trụ. Đây là yếu tố của wow wow, đằng sau một thiết bị được gọi là tinh thể không gian thời gian, một tinh thể bốn chiều có cấu trúc định kỳ theo thời gian cũng như không gian. Tuy nhiên, cũng có những lý do khoa học thực tế và quan trọng để xây dựng một tinh thể không-thời gian. Với tinh thể 4D như vậy, các nhà khoa học sẽ có một phương tiện mới và hiệu quả hơn để nghiên cứu xem các tính chất và hành vi vật lý phức tạp xuất hiện từ các tương tác tập thể của một số lượng lớn các hạt riêng lẻ, được gọi là vấn đề vật lý nhiều cơ thể. Một tinh thể không-thời gian cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu các hiện tượng trong thế giới lượng tử, chẳng hạn như sự vướng víu, trong đó một hành động trên một hạt tác động đến một hạt khác ngay cả khi hai hạt cách nhau bởi khoảng cách lớn.
Tuy nhiên, một tinh thể không gian chỉ tồn tại như một khái niệm trong tâm trí của các nhà khoa học lý thuyết mà không có ý tưởng nghiêm túc nào về cách thực sự chế tạo một thứ - cho đến bây giờ. Một nhóm các nhà khoa học quốc tế do các nhà nghiên cứu dẫn đầu với Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã đề xuất thiết kế thí nghiệm một tinh thể không gian dựa trên bẫy ion điện trường và lực đẩy Coulomb của các hạt mang điện tích giống nhau.
Xiang Zhang, một nhà khoa học thuộc Khoa Khoa học Vật liệu Berkeley Lab, người đứng đầu nghiên cứu cho biết, trường điện của bẫy ion giữ các hạt tích điện và lực đẩy Coulomb khiến chúng tự hình thành một tinh thể vòng không gian. Sau khi ứng dụng một từ trường tĩnh yếu, tinh thể ion hình vòng này sẽ bắt đầu một vòng quay sẽ không bao giờ dừng lại. Sự quay liên tục của các ion bị bẫy tạo ra trật tự thời gian, dẫn đến sự hình thành tinh thể không-thời gian ở trạng thái năng lượng lượng tử thấp nhất.
Bởi vì tinh thể không-thời gian đã ở trạng thái năng lượng lượng tử thấp nhất, nên thứ tự thời gian của nó - hay chấm công - về mặt lý thuyết sẽ tồn tại ngay cả sau khi phần còn lại của vũ trụ của chúng ta đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt, nhiệt động lực học hoặc chết nhiệt.
Zhang, người giữ chức Giáo sư Kỹ sư Cơ khí Ernest S. Kuh tại Đại học California (UC) Berkeley, nơi ông cũng chỉ đạo Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật quy mô Nano, là tác giả tương ứng của một bài báo mô tả công việc này trong Vật lý Thư đánh giá (PRL). Bài báo có tiêu đề Tinh thể thời gian không gian của các ion bị bẫy. Đồng tác giả bài báo này là Tongcang Li, Zhe-Xuan Gong, Zhang-Qi Yin, Haitao Quan, Xiaobo Yin, Peng Zhang và Luming Duan.
Khái niệm về một tinh thể có trật tự thời gian rời rạc đã được đề xuất vào đầu năm nay bởi Frank Wilczek, nhà vật lý từng giành giải thưởng Nobel tại Viện Công nghệ Massachusetts. Trong khi Wilczek về mặt toán học đã chứng minh rằng một tinh thể thời gian có thể tồn tại, làm thế nào để nhận ra một tinh thể thời gian như vậy là không rõ ràng. Zhang và nhóm của ông, người đã nghiên cứu các vấn đề theo trật tự thời gian trong một hệ thống khác kể từ tháng 9 năm 2011, đã đưa ra một thiết kế thử nghiệm để chế tạo một tinh thể rời rạc cả về không gian và thời gian - một tinh thể không-thời gian. Giấy tờ về cả hai đề xuất này xuất hiện trong cùng một vấn đề của PRL (ngày 24 tháng 9 năm 2012).
Các tinh thể truyền thống là các cấu trúc rắn 3D được tạo thành từ các nguyên tử hoặc phân tử liên kết với nhau theo mô hình có trật tự và lặp lại. Ví dụ phổ biến là băng, muối và bông tuyết. Sự kết tinh diễn ra khi nhiệt được loại bỏ khỏi hệ thống phân tử cho đến khi nó đạt đến trạng thái năng lượng thấp hơn. Tại một điểm nhất định của năng lượng thấp hơn, sự đối xứng không gian liên tục bị phá vỡ và tinh thể giả định sự đối xứng rời rạc, có nghĩa là thay vì cấu trúc giống nhau theo mọi hướng, nó chỉ giống nhau ở một vài hướng.
Tiến bộ vĩ đại đã được thực hiện trong vài thập kỷ qua trong việc khám phá vật lý thú vị của các vật liệu tinh thể chiều thấp như graphene hai chiều, ống nano một chiều và buckyball không chiều, theo ông Tongcang Li, tác giả chính của PRL giấy và một tài liệu trong nhóm nghiên cứu của Zhang. Ý tưởng tạo ra một tinh thể có kích thước cao hơn các tinh thể 3D thông thường là một bước đột phá quan trọng về mặt vật lý và thật thú vị khi chúng tôi là người đầu tiên nghĩ ra cách nhận ra một tinh thể không gian.
Tinh thể không-thời gian được đề xuất này cho thấy (a) các cấu trúc định kỳ trong cả không gian và thời gian với (b) các ion cực trị quay theo một hướng ngay cả ở trạng thái năng lượng thấp nhất. Tín dụng hình ảnh: nhóm Xiang Zhang.
Giống như một tinh thể 3D được cấu hình ở trạng thái năng lượng lượng tử thấp nhất khi đối xứng không gian liên tục bị phá vỡ thành đối xứng rời rạc, do đó, sự phá vỡ đối xứng dự kiến sẽ cấu hình thành phần thời gian của tinh thể không gian thời gian. Theo sơ đồ do Zhang và Li và các đồng nghiệp của họ nghĩ ra, một vòng không gian của các ion bị bẫy trong vòng quay liên tục sẽ tự tái tạo theo thời gian, tạo thành một tương tự thời gian của một tinh thể không gian thông thường. Với cấu trúc định kỳ trong cả không gian và thời gian, kết quả là một tinh thể không-thời gian.
Tuy, trong khi một tinh thể không gian trông giống như một cỗ máy chuyển động vĩnh cửu và thoạt nhìn có vẻ không hợp lý, thì Li Li nói, ghi nhớ rằng một chất siêu dẫn hoặc thậm chí là một vòng kim loại bình thường có thể hỗ trợ dòng electron liên tục ở trạng thái lượng tử dưới trạng thái lượng tử của nó đúng điều kiện. Tất nhiên, các electron trong một kim loại thiếu trật tự không gian và do đó, có thể được sử dụng để tạo ra một tinh thể không-thời gian.
Li nhanh chóng chỉ ra rằng tinh thể không-thời gian được đề xuất của họ không phải là một cỗ máy chuyển động vĩnh viễn bởi vì ở trạng thái năng lượng lượng tử thấp nhất, không có năng lượng phát ra. Tuy nhiên, có rất nhiều nghiên cứu khoa học mà một tinh thể không-thời gian sẽ là vô giá.
Tinh thể thời gian không gian sẽ là một hệ thống nhiều cơ thể trong chính nó, Li Li nói. Như vậy, nó có thể cung cấp cho chúng ta một cách mới để khám phá câu hỏi vật lý nhiều câu hỏi cổ điển. Ví dụ, làm thế nào một tinh thể không-thời gian xuất hiện? Làm thế nào để đối xứng dịch thời gian phá vỡ? Các hạt gần như trong tinh thể không gian thời gian là gì? Những ảnh hưởng của khuyết tật trên các tinh thể không gian thời gian là gì? Nghiên cứu những câu hỏi như vậy sẽ thúc đẩy đáng kể sự hiểu biết của chúng ta về tự nhiên.
Peng Zhang, một đồng tác giả và thành viên khác của nhóm nghiên cứu Zhang, lưu ý rằng một tinh thể không gian cũng có thể được sử dụng để lưu trữ và chuyển thông tin lượng tử qua các trạng thái quay khác nhau trong cả không gian và thời gian. Các tinh thể không-thời gian cũng có thể tìm thấy các chất tương tự trong các hệ vật lý khác ngoài các ion bị bẫy.
Những máy tương tự này có thể mở ra cánh cửa cho các công nghệ và thiết bị mới về cơ bản cho nhiều ứng dụng khác nhau, ông nói.
Xiang Zhang tin rằng bây giờ thậm chí có thể tạo ra một tinh thể không gian bằng cách sử dụng sơ đồ và trạng thái của bẫy ion nghệ thuật. Ông và nhóm của mình đang tích cực tìm kiếm cộng tác viên với các cơ sở và chuyên môn bẫy ion thích hợp.
Thử thách chính sẽ là làm mát một vòng ion về trạng thái cơ bản của nó, theo ông Xiang Xiang Zhang. Điều này có thể được khắc phục trong tương lai gần với sự phát triển của các công nghệ bẫy ion. Vì chưa bao giờ có một tinh thể không gian trước đây, hầu hết các thuộc tính của nó sẽ không được biết và chúng ta sẽ phải nghiên cứu chúng. Những nghiên cứu như vậy sẽ làm sâu sắc hơn những hiểu biết của chúng ta về sự chuyển pha và phá vỡ đối xứng.
Qua phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley
Đọc bài báo gốc ở đây.