Zaman kristalleri sadece ilginç matematiksel araçlar mı, yoksa fiziksel olarak gerçekten varlar mı? Nobel ödüllü Frank Wilczek'in 2012 yılında zaman kristalleri fikrini ortaya atmasından bu yana, fizikçiler bu soruyu tartışıyor. Wilczek bu varsayımsal (hipotetik) nesnelerin, en düşük enerjili (taban) durumlarında, tıpkı dairesel bir yörüngede hareket eder gibi periyodik hareket sergileyebileceğini belirtiyor. Kuramsal olarak, taban durumundaki nesnelerin hiç hareket edebilecek enerjileri olmaz.

O zamandan beri geçen yıllarda, diğer fizikçiler zaman kristallerinin fiziksel varlıklarının neden imkansız olduğu hakkında çeşitli argümanlar sundu. Fizikçilerin çoğu, zaman kristallerinin fiziksel varlıklarının imkansızlık nedeni olarak, tuhaf özelliklerini gösteriyordu. Her ne kadar zaman kristalleri yararlı enerji üretmek için kullanılamıyor (onlara etki etmenin hareketlerini durdurmasından dolayı) ve termodinamiğin ikinci yasasını ihlal etmiyor olsalar da, fizik yasalarındaki temel bir simetriyi ihlal ediyorlar.

Zaman Öteleme Simetrisinin Spontane Kırılması

Bununla birlikte, geçtiğimiz günlerde Physical Review Letters dergisinde yayımlanan bir makalede, zaman kristallerinin her şeye rağmen var olabilecekleri ileri sürüldü. Kaliforniya Üniversitesi Santa Barbara Kampüsü'nden ve Microsoft Station Q'dan araştırmacılardan oluşan araştırma ekibi, zaman kristallerinin en şaşırtıcı özelliği olan "zaman öteleme simetrisi"ni spontane kırmalarına odaklandı. Bunu açıklamak için bilimciler spontane simetri kırılmasının ne olduğunu şöyle anlatıyorlar:

"Buradaki en önemli fark, açık (İng. explicit) simetri kırılması ile spontane simetri kırılması arasındaki fark. Eğer bir simetri açık biçimde kırılırsa, doğa yasaları o simetriye sahip değil demektir. Spontane simetri kırılmasının anlamı ise doğa yasalarının o simetriye sahip olduğu, fakat doğanın o simetriye sahip olmayan bir durumu seçtiği anlamına gelir." diyor ekipten Dominic Else. Eğer zaman kristalleri gerçekten spontane zaman öteleme simetrisi kırılması yapıyorsa, o halde zaman kristallerini yöneten doğa yasaları zamanla değişmeyecektir. Ama zaman kristallerinin kendileri taban durum hareketlerinden dolayı, simetriyi spontane kırarak, zaman içinde değişirler.

Spontane zaman öteleme simetrisi kırılması daha önce hiç gözlemlenmemesine rağmen, neredeyse tüm diğer spontane simetri kırılma tipleri gözlemlenmiş durumda. Sık rastlanan bir spontane kırılmış simetri örneği olarak mıknatıslar verilebilir. Doğa yasaları, mıknatısın hangi kutbunun kuzey, hangisinin güney olduğunu belirtmez. Herhangi bir manyetik malzemenin ayırt edici özelliği ise simetriyi spontane biçimde kırarak, bir ucu kuzey ve diğer ucu da güney olarak seçmesidir. Bir diğer örnek ise sıradan kristallerdir. Doğa yasaları uzayda dönme ve kayma (öteleme) altında değişmez (invaryant) olsa da, kristaller bu uzaysal simetrileri spontane kırarak, farklı açılardan bakıldıklarında ve uzayda biraz kaydırıldıklarında farklı görünürler.

Termal Dengeden Uzaklık

Yaptıkları bu son çalışmada fizikçiler özellikle spontane zaman öteleme simetri kırılması için ne gerektiğini tanımladı ve ardından simülasyonlar kullanarak, bu kırılmış simetrinin geniş bir kuantum sistemler sınıfında görülmesi gerektiğini öngördüler: Floquet yerelleşmiş çok cisimli sürücülü sistemler (İng. Floquet-many-body-localized driven systems). Bilimciler bu sistemlerin anahtar özelliğinin, termal dengeden hep uzak kalmaları ve dolayısıyla sistemin ısısının artmaması olduğunu belirtiyorlar.

Kırık zaman öteleme simetrisinin yeni tanımı, diğer kırık simetrilerin tanımlarına benziyor. Temel olarak, bir sistemin (örneğin bir kristalin) büyüklüğü büyüdüğünde, simetrisi kırık bir durumun simetriye uygun bir duruma bozunması için gereken süre artar. Sonsuz bir sistemde ise simetriye uygun duruma asla ulaşılamaz. Sonuç olarak, tüm sistem için simetri kırık olur.

 "Çalışmamızın iki önemli yanı var: Birincisi, zaman öteleme simetrisinin spontane kırılabilirliği olduğunu ortaya koyuyor. İknicisi de, dengede olmayan sistemlerin, dengede olan sistemlerde var olamayacak olan ilginç madde halleri barındırabileceğine ilişkin anlayışımızı derinleştiriyor." diyor ekipten Bela Bauer.

Fizikçilere göre, tuzaklanmış atomlardan, tuzaklanmış iyonlardan veya süperiletken kubitlerden oluşan büyük bir sistem kullanarak yapılan bir zaman kristali ve bu sistemlerin zaman içindeki evrimlerinin ölçümü ile zaman öteleme simetrisinin kırılmasının gözlemlenebileceği bir deney gerçekleştirmek mümkün olabilir.

 

---

Kaynak: Phys.org,"Time crystals might exist after all"
< http://phys.org/news/2016-09-crystals.html >

İlgili Makale: Dominic V. Else, Bela Bauer, and Chetan Nayak. "Floquet Time Crystals." Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.090402 Also at arXiv:1603.08001

---