Exeter Üniversitesi, İzlanda Üniversitesi ve St. Petersburg'da bulunan ITMO Üniversitesi'nden bilimciler, kuantum sistemlerde zaman kristallerinin davranışlarını incelerken çok özgün bir özellikleri ile karşılaştı. Elde edilen verilere göre, kapalı kuantum sistemlerde gerçek zaman kristallerinin var olabilmesi mümkün.

Bugüne kadar yürütülmüş ve yayımlanmış diğer çalışmalardaki, zaman aralıklı periyodik salınımların gerçekleştiği dengede olmayan açık kuantum sistemlerinden farklı olarak, araştırmacılar teoride -içinde zaman korelasyonlarının sonsuz uzunlukta var olabilecek- kuantum sistem keşfetti. 20 Kasım tarihinde Physical Review Letters'da yayımlanan çalışmanın atom saatlerinden, kuantum bilgisayarlar, kuantum bilişime kadar birçok teknoloji ve bilim alanında özgün ve yenilikçi uygulamaların geliştirilmesinde yeni bir kapı açacağı ön görülüyor.

Zaman kristalleri nosyonu ilk olarak 2012 yılında Nobel ödülü kazanan Frank Wilczek tarafından ortaya atılmıştı ve o günden bu yana maddenin yeni bir fazı olarak zaman kristallerinin kavramsal olarak kurulumu, döngüsel simetri veya zaman geçiş simetrisi denen kavramın anlaşılmasına bağlıydı.

Elmaslar gibi bir takım uzamsal koordinatlar üzerinde periyodik yapı oluşturan atom ve moleküller katı formda var olabilmekte iken, bu tip sıradan kristallerden farklı olarak zaman kristalleri zaman içinde kendini tekrar eden (zamansal koordinatlar üzerinde periyodik yapı oluşturan), yani belirli zaman aralıklarında tekrar aynı forma dönecek şekilde sürekli olarak değişen bir davranış sergilemektedir.



Bu minvâlde zaman döngüsü simetrisinin bozulmasının çok muazzam derecede izole edilmiş dengede kuantum sistemde çok zor olduğu tespit edildi ve makalenin sunuş kısmında Watanabe ve Oshikawa'nın teorisi ile birlikte bu durum açıklandı. Haruki Watanabe ve Masaki Oshikawa tarafından kanıtlanmış olan teoriye göre kuantum versiyonda zaman kristallerinin şu iki şart gerçekleşmediği sürece imkansız:  1) stabil ve dengeli bir kuantum sistemde yüksek derecede lokal olmayan -aralarında uzun mesafeler olan- etkileşimler var olabiliyorsa ve 2) daha değişken bir sistem -ki  bu sistemlerde farklı zaman varyantları üretmek hesaba katılırsa.

Asıl soru ise hala net olarak cevaplanamamış olsa da şuydu: Peki zaman kristalleri asıl bilindik halleri ile var edilebilir mi?

Yeni çalışmada, Exeter'dan Oleksandr Kyriienko öncülüğündeki çalışma ekibi kuantum zaman kristallerinin var olabilmesi için 'no-go' teoremi (belli bir durumun fiziksel olarak olanaksız olduğunu ortaya koyan bir teorem; çıkışsızlık teoremi; olanak-yok teoremi) şartlarının üstesinden gelmenin ve zaman kristalini ciddi bir zaman süresinde var edebilmenin mümkün olduğunu ortaya çıkardı. Bunun için gerekli malzemenin ise Hamiltonyan adı verilen kuantum sistemlerinin enerjisini tanılayan bir operatör olduğu kaydedildi. Çünkü, Hamiltonyan zaman kristallerinin davranışlarını -var olabilmeleri için-  Watanabe ve Oshikawa'nın belirlediği gibi olabilmesi için gereken şartları sağlayabiliyor.

Araştırma ekibi, döngüsel simetriyi bozan sistemin, eş zamanlı olarak en azından parçacıkların yarısının aynı anda etkileştiği çok-parçacıklı etkileşimleri de zorunlu olarak barındırdığını ortaya koydu.

Elde edilen bulguların yakın bir gelecekte bilim insanlarının yoğun madde fazlarının nasıl davrandığını ve dinamik-düzenli fazın fiziğini anlamalarını sağlayacağını anlamalarını sağlayacağı düşünülüyor. Sürekliliği olan döngüsel simetrinin bozulması yönündeki ilk ciddi adım olarak değerlendirilen bu buluşları ile, mevcut çalışma diğer muhtemel kuantum sistemlerin üzerine dikkati çekmeyi başardı.

Oleksandr Kyriienko bu noktada yaptığı açıklamada oldukça lokal (yerel) olmayan etkileşimler (kuantum sistem içinde uzun mesafeli olan parçacık etkileşimleri kastediliyor) ile döngüsel simetrinin bozulabileceğini artık bildiğimizi ve bunun yararlı sistemler geliştirmekte pratik olarak kullanılıp kullanılamayacağını araştıracaklarını belirtti.