Στοιχεία δυο νέων χρονοκρυστάλλων εντόπισαν ερευνητές σε συστήματα περιοδικά διεγειρόμενων σπιν

Ένας χρονοκρύσταλλος είναι μια συλλογή αντικειμένων που αυθόρμητα διαμορφώνει κάποιο μοτίβο στο χρόνο, όπως ακριβώς ένας κανονικός κρύσταλλος αυθόρμητα διαμορφώνει ένα μοτίβο στο χώρο. Οι θεωρητικοί προέβλεψαν τους χρονοκρυστάλλους το 2012 και η πρώτη πειραματική απόδειξη εμφανίστηκε το 2017. Τώρα, δυο ξεχωριστές ομάδες έχουν διευρύνει τον κατάλογο των συστημάτων που μπορούν εμφανώς να φιλοξενήσουν χρονοκρυστάλλους. Και τα δυο πειράματα βρήκαν διακριτές υπογραφές χρονοκρυστάλλου σε συστήματα σπιν που ελέγχονται με τεχνικές NMR. Στην πρώτη περίπτωση, τα σπιν είναι στο εσωτερικό ενός στερεού κρυστάλλου, ενώ στη δεύτερη περίπτωση, είναι μέσα σε μόρια με σχήμα άστρου σε ένα ρευστό. Οι ανακαλύψεις προκαλούν τις τρέχουσες υποθέσεις σχετικά με το ποιες συνθήκες απαιτούνται για να διαμορφωθούν χρονοκρύσταλλοι.

Οι χρονοκρύσταλλοι είναι διαφορετικοί από άλλα χρονο-περιοδικά συστήματα (όπως εκκρεμή και καρδιακοί παλμοί) στο ότι δεν κινούνται στο ρυθμό που επιβάλλεται από τον κινητήριο μηχανισμό. Αντί αυτού, ταλαντώνονται με περίοδο που είναι ένα ακέραιο πολλαπλάσιο της κινητήριας περιόδου. Επιπροσθέτως, σύμφωνα με τα περισσότερα μοντέλα, η περιοδική διέγερση θα υπερθερμάνει τον κρύσταλλο και ένας διακριτός χρονοκρύσταλλος θα μπορούσε να υπάρχει μόνο αν το σύστημα είναι σταθεροποιημένο έναντι της θέρμανσης από ένα επαγώμενο από διαταραχή φαινόμενο που αποκαλείται πολυ-σωματική τοπική προσαρμογή*.

Ο πρωτο-αναφερόμενος χρονοκρύσταλλος ήταν σε διαταραγμένα συστήματα. Ωστόσο, μια ομάδα υπό την ηγεσία του Sean Barrett από το Πανεπιστήμιο του Yale έχει τώρα παρατηρήσει υπογραφές χρονοκρυστάλλου σε ένα αναπάντεχο μέρος, σε έναν κρύσταλλο χωρικά τακτοποιημένο (στο δισόξινο φωσφορικό αμμώνιο – NH4H2PO4). Η ομάδα χρησιμοποίησε παλμούς ραδιοσυχνοτήτων για να περιστρέψει περιοδικά τα σπιν των πυρήνων του φωσφόρου-31 μέσα στον κρύσταλλο. Παρά την έλλειψη διαταραχής στη δομή του πλέγματος, τα σπιν παρουσίαζαν συμπεριφορά χρονοκρυστάλλου, ταλαντευόμενου με μια περίοδο διπλάσια αυτής της παλμικής αλληλουχίας. Για να ερευνήσει αυτό το φαινόμενο, η ομάδα ανέπτυξε νέες τεχνικές NMR, τις οποίες παραθέτουν σε μια συνοδό μελέτη.

Σε ένα διαφορετικό πείραμα NMR, ο Ganesh Sreejith και οι συνεργάτες του, από το Ινδικό Ινστιτούτο Επιστημονικής Εκπαίδευσης και Έρευνας στην Pune (Πούνε) στην Ινδία, αναγνώρισαν συμπεριφορά χρονοκρυστάλλου σε μια ρευστή κατάσταση, χρησιμοποιώντας μόρια με ένα κεντρικό σπιν που περιβάλλεται από αρκετά σπιν-δορυφόρους. Οι ερευνητές εξέθεσαν αυτά τα σε σχήμα άστρου μόρια σε μια σειρά ραδιοπαλμών περιστροφής του σπιν και βρήκαν ότι ο μαγνητισμός των μορίων ταλαντώνονταν σε διπλάσια από την παλμική περίοδο. Η περιοδικότητα αυτή αναδύθηκε ακόμη και χωρίς διαταραχές στο σύστημα και παρέμενε σταθερή έναντι διαταραχών, όπως οι αλλαγές στη γωνία περιστροφής του σπιν.

Πηγή: American Physical Society

Περισσότερα στις δημοσιεύσεις:
(1) Observation of Discrete-Time-Crystal Signatures in an Ordered Dipolar Many-Body System. Physical Review Letters and Physical Review B.
(2) 31P NMR study of discrete time-crystalline signatures in an ordered crystal of ammonium dihydrogen phosphate. Physical Review Letters and Physical Review B.
(3) Temporal Order in Periodically Driven Spins in Star-Shaped Clusters. Physical Review Letters and Physical Review B.

*Σημείωση egno.gr: Το φαινόμενο της πολυσωματικής τοπικής προσαρμογής (Mαny-body localization ή MBL), που παρουσιάζεται από ορισμένα απομονωμένα συστήματα συνήθως με παρουσία αποσβαίνουσας διαταραχής, εκτρέπει τα συστήματα από την ισορροπία σε μια θερμική κατάσταση όπου οι απαραίτητοι για την τοπολογική τάξη λεπτοί κβαντικοί συσχετισμοί είναι συχνά υποβαθμισμένοι. Αντί αυτής, τα πολυσωματικά τοπικής προσαρμογής συστήματα μπορεί να παρουσιάζουν έναν τύπο δομής, όπου το ολικό πολυ-σωματικό φάσμα χαρακτηρίζεται από ποικίλους τύπους κβαντικής τάξης, συνήθως περιορισμένους στις βασικές κβαντικές καταστάσεις.