גביש זמן

בפיזיקה של חומר מעובה, גביש זמן הוא כינוי למערכת או תת-מערכת שמצבי האנרגיה הנמוכים שלה מתפתחים מעת לעת באופן מחזורי. מושג זה הוצע על ידי פרנק וילצ'ק בשנת 2012 באופן תאורטי למבנה מחזורי במרחב הזמן כאנלוגיה לגבישים שהם מחזוריים במרחב הפיזי. מספר קבוצות שונות הדגימו חומר עם אבולוציה מחזורית יציבה במערכות מונעות מחזור. מבחינת שימוש מעשי, חוקרים מסוימים טוענים שגבישי זמן עשויים לשמש כזיכרון קוונטי. קיומם של גבישים בטבע הוא ביטוי של שבירת סימטריה ספונטנית, המתרחשת כאשר המצב באנרגיה הנמוכה ביותר של מערכת פחות סימטרי מהמשוואות השולטות במערכת. במצב היסוד של הגביש, הסימטריה להזזה מרחבית רציפה נשברת ומוחלפת בסימטריה הבדידה המאפיינת את הגביש המחזורי. מכיוון שחוקי הפיזיקה הם סימטריים תחת הזזות רציפות בזמן והן במרחב, עלתה השאלה בשנת 2012 האם ניתן לשבור את הסימטריה באופן זמני, וכך ליצור "גביש זמן" אשר יהיה יציב בפני אפקטים של גדילת אנטרופיה. אם נשברת סימטריה של הזזה מרחבית רציפה להזזה מרחבית בדידה (שעשויה להתממש במערכות מונעות מחזור), אז המערכת מכונה "גביש זמן דיסקרטי". גביש זמן נפרד לעולם אינו מגיע לשיווי משקל תרמי, מכיוון שהוא סוג (או שלב) של חומר שאינו בשיווי משקל. שבירת סימטריית הזמן יכולה להתרחש רק במערכות שאינן בשיווי משקל. גבישי זמן דיסקרטיים נצפו למעשה במעבדות הפיזיקה כבר בשנת 2016 (פורסם בשנת 2017). דוגמה אחת לגביש זמן, המדגים סימטריה של זמן לא שוויוני, היא טבעת שחגה ברציפות סביב ציר, של יונים טעונים, במצב אנרגיה הנמוך ביותר. סימטריות בטבע מובילות ישירות לחוקי שימור, ועיקרון זה מנוסח על ידי משפט נתר. הרעיון הבסיסי של סימטריית הזזה בזמן הוא שלתרגום בזמן אין השפעה על חוקים פיזיקליים, כלומר שחוקי הטבע החלים היום היו זהים בעבר ויהיו זהים בעתיד. סימטריה זו מרמזת על שימור האנרגיה. גבישים נפוצים מפגינים סימטריה של תרגום שבור: יש להם דפוסים שחוזרים על עצמם בחלל ואינם משתנים תחת תרגומים או סיבובים שרירותיים. חוקי הפיזיקה אינם משתנים על ידי תרגומים שרירותיים וסיבובים. עם זאת, אם אנו מחזיקים את האטומים של גביש מקובעים, הדינמיקה של אלקטרון או חלקיק אחר בגביש תלויים באופן בו הוא נע יחסית לגביש, ומומנט החלקיקים יכול להשתנות על ידי אינטראקציה עם האטומים של הגביש, למשל ב תהליכי אומקלאפ. לעומת זאת בגביש "מושלם" יש שימור של התנע הגבישי. גבישי הזמן מראים סימטריה שבורה המקבילה לשבירת סימטריה דיסקרטית של תרגום מרחב. לדוגמה, המולקולות של נוזל הקופא על פני גביש יכולות להתיישר עם מולקולות הגביש, אך עם דפוס פחות סימטרי מהגביש: הוא שובר את הסימטריה הראשונית. הסימטריה השבורה הזו מציגה שלושה מאפיינים חשובים: למערכת סימטריה נמוכה יותר מהסידור הבסיסי של הגביש המערכת מציגה סדר מרחבי וטמפורלי לטווח ארוך (בניגוד לסדר מקומי וסירוגין בנוזל ליד פני השטח של גביש) היא תוצאה של יחסי גומלין בין מרכיבי המערכת, המתיישרים בינם לבין עצמם גבישי הזמן אינם מפרים את חוקי התרמודינמיקה: האנרגיה במערכת הכוללת נשמרת, גביש כזה אינו הופך ספונטנית אנרגיה תרמית לעבודה מכנית, והיא אינה יכולה לשמש מאגר עבודה תמידי. אך הוא עשוי להשתנות באופן תמידי בדפוס קבוע בזמן כל עוד ניתן לתחזק את המערכת. יש להם "תנועה ללא אנרגיה" - התנועה לכאורה שלהם אינה מייצגת אנרגיה קינטית קונבנציונלית. הוכח כי גביש זמן אינו יכול להתקיים בשיווי משקל תרמי. עם זאת, יש לשים לב שחמני ציין כי בהוכחה זו יש שגיאה מתוחכמת אשר גורמת לה להיות לא חוקית. ניסויים אחרונה בחיפוש גבישי זמן נפרדים במצבי האיזון שלהם מונעים מעת לעת, הובילו לחקר התחלות של שלבים חדשים של חומר בחוסר שיווי משקל. Ball, Philip (8 בינואר 2016). "Focus: New Crystal Type is Always in Motion". physics.aps.org. APS Physics. אורכב מ-המקור ב-3 בפברואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) Coleman, Piers (9 בינואר 2013). "Quantum physics: Time crystals". Nature. 493 (7431): 166–167. Bibcode:2013Natur.493..166C. doi:10.1038/493166a. ISSN 0028-0836. PMID 23302852. S2CID 205075903. {{cite journal}}: (עזרה) Cowen, Ron (27 בפברואר 2012). ""Time Crystals" Could Be a Legitimate Form of Perpetual Motion". scientificamerican.com. Scientific American. אורכב מ-המקור ב-2 בפברואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) Gibney, Elizabeth (2017). "The quest to crystallize time". Nature. 543 (7644): 164–166. Bibcode:2017Natur.543..164G. doi:10.1038/543164a. ISSN 0028-0836. PMID 28277535. S2CID 4460265. Grossman, Lisa (18 בינואר 2012). "Death-defying time crystal could outlast the universe". newscientist.com. New Scientist. אורכב מ-המקור ב-2 בפברואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) Hackett, Jennifer (22 בפברואר 2016). "Curious Crystal Dances for Its Symmetry". scientificamerican.com. Scientific American. אורכב מ-המקור ב-3 בפברואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) Hewitt, John (3 במאי 2013). "Creating time crystals with a rotating ion ring". phys.org. Science X. אורכב מ-המקור ב-4 ביולי 2013. {{cite web}}: (עזרה) Johnston, Hamish (18 בינואר 2016). "'Choreographic crystals' have all the right moves". physicsworld.com. Institute of Physics. אורכב מ-המקור ב-3 בפברואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) Joint Quantum Institute (22 במרץ 2011). "Floquet Topological Insulators". jqi.umd.edu. Joint Quantum Institute. {{cite web}}: (עזרה) Ouellette, Jennifer (31 בינואר 2017). "World's first time crystals cooked up using new recipe". newscientist.com. New Scientist. אורכב מ-המקור ב-1 בפברואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) Powell, Devin (2013). "Can matter cycle through shapes eternally?". Nature. doi:10.1038/nature.2013.13657. ISSN 1476-4687. S2CID 181223762. אורכב מ-המקור ב-3 בפברואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) University of California, Berkeley (26 בינואר 2017). "Physicists unveil new form of matter—time crystals". phys.org. Science X. אורכב מ-המקור ב-28 בינואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) Weiner, Sophie (28 בינואר 2017). "Scientists Create A New Kind Of Matter: Time Crystals". popularmechanics.com. Popular mechanics. אורכב מ-המקור ב-3 בפברואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) Wood, Charlie (31 בינואר 2017). "Time crystals realize new order of space-time". csmonitor.com. Christian Science Monitor. אורכב מ-המקור ב-2 בפברואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) Yirka, Bob (9 ביולי 2012). "Physics team proposes a way to create an actual space-time crystal". phys.org. Science X. אורכב מ-המקור ב-15 באפריל 2013. {{cite web}}: (עזרה) Zyga, Lisa (20 בפברואר 2012). "Time crystals could behave almost like perpetual motion machines". phys.org. Science X. אורכב מ-המקור ב-3 בפברואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) Zyga, Lisa (22 באוגוסט 2013). "Physicist proves impossibility of quantum time crystals". phys.org. Space X. אורכב מ-המקור ב-3 בפברואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) Zyga, Lisa (9 ביולי 2015). "Physicists propose new definition of time crystals—then prove such things don't exist". phys.org. Science X. אורכב מ-המקור ב-9 ביולי 2015. {{cite web}}: (עזרה) Zyga, Lisa (9 בספטמבר 2016). "Time crystals might exist after all (Update)". phys.org. Science X. אורכב מ-המקור ב-11 בספטמבר 2016. {{cite web}}: (עזרה) Sacha, Krzysztof (2020). Time Crystals. Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics. Vol. 114. Springer. doi:10.1007/978-3-030-52523-1. ISBN 978-3-030-52522-4. Boyle, Latham; Khoo, Jun Yong; Smith, Kendrick (2016). "Symmetric Satellite Swarms and Choreographic Crystals". Physical Review Letters. 116 (1): 015503. arXiv:1407.5876. Bibcode:2016PhRvL.116a5503B. doi:10.1103/PhysRevLett.116.015503. ISSN 0031-9007. PMID 26799028. S2CID 17918689. Bruno, Patrick (2013a). "Comment on "Quantum Time Crystals"". Physical Review Letters. p. 118901. arXiv:1210.4128. Bibcode:2013PhRvL.110k8901B. doi:10.1103/PhysRevLett.110.118901. ISSN 0031-9007. PMID 25166585. S2CID 41459498. Bruno, Patrick (2013b). "Comment on "Space-Time Crystals of Trapped Ions"". Physical Review Letters. 111 (2): 029301. arXiv:1211.4792. Bibcode:2013PhRvL.111b9301B. doi:10.1103/PhysRevLett.111.029301. ISSN 0031-9007. PMID 23889455. S2CID 1502258. Else, Dominic V.; Bauer, Bela; Nayak, Chetan (2016). "Floquet Time Crystals". Physical Review Letters. 117 (9): 090402. arXiv:1603.08001. Bibcode:2016PhRvL.117i0402E. doi:10.1103/PhysRevLett.117.090402. ISSN 0031-9007. PMID 27610834. S2CID 1652633. Grifoni, Milena; Hänggi, Peter (1998). "Driven quantum tunneling" (PDF). Physics Reports. pp. 229–354. Bibcode:1998PhR...304..229G. CiteSeerX 10.1.1.65.9479. doi:10.1016/S0370-1573(98)00022-2. ISSN 0370-1573. S2CID 120738031. אורכב מ-המקור (PDF) ב-2017-02-11. Guo, Lingzhen; Marthaler, Michael; Schön, Gerd (2013). "Phase Space Crystals: A New Way to Create a Quasienergy Band Structure". Physical Review Letters. 111 (20): 205303. arXiv:1305.1800. Bibcode:2013PhRvL.111t5303G. doi:10.1103/PhysRevLett.111.205303. ISSN 0031-9007. PMID 24289695. S2CID 9337383. Khemani, Vedika; Lazarides, Achilleas; Moessner, Roderich; Sondhi, S. L. (2016). "Phase Structure of Driven Quantum Systems". Physical Review Letters. 116 (25): 250401. arXiv:1508.03344. Bibcode:2016PhRvL.116y0401K. doi:10.1103/PhysRevLett.116.250401. ISSN 0031-9007. PMID 27391704. S2CID 883197. Li, Tongcang; Gong, Zhe-Xuan; Yin, Zhang-Qi; Quan, H. T.; Yin, Xiaobo; Zhang, Peng; Duan, L.-M.; Zhang, Xiang (2012a). "Space-Time Crystals of Trapped Ions". Physical Review Letters. 109 (16): 163001. arXiv:1206.4772. Bibcode:2012PhRvL.109p3001L. doi:10.1103/PhysRevLett.109.163001. ISSN 0031-9007. PMID 23215073. S2CID 8198228. Li, Tongcang; Gong, Zhe-Xuan; Yin, Zhang-Qi; Quan, H. T.; Yin, Xiaobo; Zhang, Peng; Duan, L.-M.; Zhang, Xiang (2012b). Reply to Comment on "Space-Time Crystals of Trapped Ions". arXiv:1212.6959. Bibcode:2012arXiv1212.6959L. Lindner, Netanel H.; Refael, Gil; Galitski, Victor (2011). "Floquet topological insulator in semiconductor quantum wells". Nature Physics. 7 (6): 490–495. arXiv:1008.1792. Bibcode:2011NatPh...7..490L. doi:10.1038/nphys1926. ISSN 1745-2473. S2CID 26754031. Mendonça, J. T.; Dodonov, V. V. (2014). "Time Crystals in Ultracold Matter". Journal of Russian Laser Research. pp. 93–100. doi:10.1007/s10946-014-9404-9. ISSN 1071-2836. S2CID 122631523. Nozières, Philippe (2013). "Time crystals: Can diamagnetic currents drive a charge density wave into rotation?". EPL. 103 (5): 57008. arXiv:1306.6229. Bibcode:2013EL....10357008N. doi:10.1209/0295-5075/103/57008. ISSN 0295-5075. S2CID 118662499. Robicheaux, F.; Niffenegger, K. (2015). "Quantum simulations of a freely rotating ring of ultracold and identical bosonic ions". Physical Review A. 91 (6): 063618. Bibcode:2015PhRvA.91063618R. doi:10.1103/PhysRevA.91.063618. ISSN 2469-9926. Shirley, Jon H. (1965). "Solution of the Schrödinger Equation with a Hamiltonian Periodic in Time". Physical Review. 138 (4B): B979–B987. Bibcode:1965PhRv..138..979S. doi:10.1103/PhysRev.138.B979. ISSN 0031-899X. Smith, J.; Lee, A.; Richerme, P.; Neyenhuis, B.; Hess, P. W.; Hauke, P.; Heyl, M.; Huse, D. A.; Monroe, C. (2016). "Many-body localization in a quantum simulator with programmable random disorder". Nature Physics. 12 (10): 907–911. arXiv:1508.07026. Bibcode:2016NatPh..12..907S. doi:10.1038/nphys3783. ISSN 1745-2473. S2CID 53408060. Volovik, G. E. (2013). "On the broken time translation symmetry in macroscopic systems: Precessing states and off-diagonal long-range order". JETP Letters. 98 (8): 491–495. arXiv:1309.1845. Bibcode:2013JETPL..98..491V. doi:10.1134/S0021364013210133. ISSN 0021-3640. S2CID 119100114. von Keyserlingk, C. W.; Khemani, Vedika; Sondhi, S. L. (2016). "Absolute stability and spatiotemporal long-range order in Floquet systems". Physical Review B. 94 (8): 085112. arXiv:1605.00639. Bibcode:2016PhRvB..94h5112V. doi:10.1103/PhysRevB.94.085112. ISSN 2469-9950. S2CID 118699328. Wang, Y. H.; Steinberg, H.; Jarillo-Herrero, P.; Gedik, N. (2013). "Observation of Floquet-Bloch States on the Surface of a Topological Insulator". Science. 342 (6157): 453–457. arXiv:1310.7563. Bibcode:2013Sci...342..453W. doi:10.1126/science.1239834. hdl:1721.1/88434. ISSN 0036-8075. PMID 24159040. S2CID 29121373. Wilczek, Frank (2013a). "Wilczek Reply" (PDF). Physical Review Letters. p. 118902. Bibcode:2013PhRvL.110k8902W. doi:10.1103/PhysRevLett.110.118902. ISSN 0031-9007. PMID 25166586. Wilczek, Frank (2013). "Superfluidity and Space-Time Translation Symmetry Breaking". Physical Review Letters. 111 (25): 250402. arXiv:1308.5949. Bibcode:2013PhRvL.111y0402W. doi:10.1103/PhysRevLett.111.250402. ISSN 0031-9007. PMID 24483732. S2CID 7537145. Yoshii, Ryosuke; Takada, Satoshi; Tsuchiya, Shunji; Marmorini, Giacomo; Hayakawa, Hisao; Nitta, Muneto (2015). "Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov states in a superconducting ring with magnetic fields: Phase diagram and the first-order phase transitions". Physical Review B. 92 (22): 224512. arXiv:1404.3519. Bibcode:2015PhRvB..92v4512Y. doi:10.1103/PhysRevB.92.224512. ISSN 1098-0121. S2CID 118348062. Zel'Dovich, Y. B. (1967). "The quasienergy of a quantum-mechanical system subjected to a periodic action" (PDF). Soviet Physics JETP. pp. 1006–1008. Bibcode:1967JETP...24.1006Z. כריסטופר מונרו באוניברסיטת מרילנד פרנק וילצ'ק קבוצת לוקין באוניברסיטת הרווארד נורמן יאו מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי Krzysztof Sacha באוניברסיטה היגלונית בקרקוב Zakrzewski, Jakub (15 באוקטובר 2012). "Viewpoint: Crystals of Time". physics.aps.org. APS Physics. אורכב מ-המקור ב-2 בפברואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) Richerme, Phil (18 בינואר 2017). "How to Create a Time Crystal". physics.aps.org. American Physical Society. נבדק ב-5 באפריל 2021. {{cite web}}: (עזרה) https://www.technologyreview.com/2016/10/04/157185/physicists-create-worlds-first-time-crystal/ Cao, Tian Yu (25 במרץ 2004). Conceptual Foundations of Quantum Field Theory. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-60272-3. {{cite book}}: (עזרה) See p. 151. Wilczek, Frank (16 ביולי 2015). A Beautiful Question: Finding Nature's Deep Design. Penguin Books Limited. ISBN 978-1-84614-702-9. {{cite book}}: (עזרה) See Ch. 3. Feng, Duan; Jin, Guojun (2005). Introduction to Condensed Matter Physics. singapore: World Scientific. ISBN 978-981-238-711-0. See p. 18. Sólyom, Jenö (19 בספטמבר 2007). Fundamentals of the Physics of Solids: Volume 1: Structure and Dynamics. Springer. ISBN 978-3-540-72600-5. {{cite book}}: (עזרה) See p. 193. Sólyom, Jenö (19 בספטמבר 2007). Fundamentals of the Physics of Solids: Volume 1: Structure and Dynamics. Springer. ISBN 978-3-540-72600-5. {{cite book}}: (עזרה) See p. 191. Crew, Bec. "Time Crystals Might Exist After All – And They Could Break Space-Time Symmetry". ScienceAlert (באנגלית בריטית). נבדק ב-2017-09-21. ""Time Crystals" Could Be a Legitimate Form of Perpetual Motion". archive.is. 2017-02-02. אורכב מ-המקור ב-2017-02-02. נבדק ב-2017-09-21. Watanabe, Haruki; Oshikawa, Masaki (2015). "Absence of Quantum Time Crystals". Physical Review Letters. 114 (25): 251603. arXiv:1410.2143. Bibcode:2015PhRvL.114y1603W. doi:10.1103/PhysRevLett.114.251603. ISSN 0031-9007. PMID 26197119. Else, D. W.; Monroe, C.; Nayak, C.; Yao, N. Y. (במרץ 2020). "Discrete Time Crystals". Annual Review of Condensed Matter Physics. pp. 467–499. doi:10.1146/annurev-conmatphys-031119-050658. {{cite web}}: (עזרה)