Einstein’ın kütleçekim dalgaları veya Higgs bozonu gibi, teorik fizikteki en etkileyici öngörülerin bir kısmının deneysel olarak ispatlanması onlarca yıl sürdü. Fakat bazen, bir öngörünün şaşılacak kadar kısa bir sürede gerçeğe dönüştüğü de görülebilir. Zaman kristalleri için de olan şey aynen bu; maddenin bu yeni ve tuhaf hali, ilk defa dile getirildiği 2012’den beri kuramsal hale getirildi, yanlışlandı, düzenlendi ve en sonunda gerçekleştirildi.

Kristaller (örneğin elmas ve kuartz gibi), atomların uzayda belirli bir deseni tekrar edecek şekilde düzenlenmesiyle oluşur. Bu yeni kristallerde, atomlar yine tekrar eden bir deseni takip ediyorlar, fakat bu sefer zamanda. Bu tuhaf özelliklerinden ötürü zaman kristalleri, günün birinde kuantum bilgi işlem gibi devrimsel nitelikteki teknolojilerde kendine bir uygulama alanı bulabilir.

Zaman kristallerinin öyküsü, 2012 yılında MIT’den Nobel ödüllü Frank Wilczek ile başlıyor. Bir teorik fizikçi ve matematikçi olarak, Wilczek zaman kristalleri fikrini üretebilmek için, “simetri kırılması” denilen, normal kristallere ait bir anahtar özelliği aktararak hayati bir adım atmakla işe başladı.

Simetri kırılmasının ne olduğunu anlayabilmek için, sıvı haldeki suyu ele alalım. Bir su damlasında, moleküller her yönde hareket etme serbestliğine sahiptir ve sıvı içerisinde herhangi bir yerde bulunabilirler. Sıvı her doğrultuda aynı şekilde görünür, bu da sıvının yüksek derecede simetriye sahip olduğu anlamına gelir. Eğer su, buz olacak şekilde dondurulursa; moleküller arası çekim kuvveti, molekülleri kristal halini alacak şekilde yeniden düzenlenmeye zorlar ve moleküller düzenli aralıklarla yerleşir. Fakat bu düzenlilik hali, kristalin sıvı kadar simetrik olmadığı anlamına gelir. Böylece sıvının simetrisinin, donarak buz halini almasıyla kırıldığını söyleyebiliriz.

Simetri kırılması, fizikteki en derin kavramlardan birisidir. Kristallerin oluşumunun altında bu kavram yatsa da, aynı zamanda pek çok diğer temel süreçte de yer alır. Atomaltı parçacıkların nasıl kütle kazandığını açıklayan ünlü Higgs mekanizması, bir simetri kırılması sürecidir.

2012 yılında, Wilczek cazip bir fikir ortaya attı. Bir kristalin uzaydaki simetriyi kırmasıyla aynı şekilde, zamandaki eşdeğer simetriyi kıran bir kristal yapmanın mümkün olup olamayacağını merak etti. Bu, zaman kristali fikrinin kurama döküldüğü ilk zamandı.

Böylesi bir nesne yerleşik zaman düzenliliğine sahiptir, normal bir kristalin uzayda düzenli bir örüntüye sahip olmasıyla eşdeğer bir biçimde. Zaman kristali için, bu örüntü fiziksel özelliklerinin birinde devamlı bir geri gelme ve ileri adım atma şeklinde olurdu; bir tür sonsuza dek süren kalp atışı, bir devridaim makinesi (İngilizce: perpetual motion machine) gibi.

Devridaim makineleri, bir enerji kaynağı olmadan sonsuza kadar çalışabilen varsayımsal makinelerdir ve fizik yasalarına aykırıdırlar. Wilczek zaman kristali kuramının bu tuhaflığını fark etti ve 2015 yılında bir başka teorik fizikçiler grubu böylesi bir devridaim kristalinin gerçekte mümkün olamayacağını gösterdi.

Fakat hikaye burada sona ermiyor. 2016 yılında, yapılan bir araştırmada zaman kristallerinin bazı dışsal itici kuvvetlerin var olması halinde, kuramsal olarak hala geçerli olabileceği gösterildi. Bu fikir, zaman düzenliliğinin bir şekilde pasif kalmış ve görünürden kaybolmuş olabileceği, bir miktar fazladan enerji aktarmanın onu hayata döndüreceği ve onu gizleyen perdelerin ortadan kalkacağı anlamına geliyordu. Bu da devridaim hareketindeki çelişkiyi ortadan kaldırıyor ve zaman kristallerinin var olabilmesi için yeni umutlar doğuruyordu.

2016 yılının yazında, zaman kristallerini oluşturmak ve gözlemlemek için gerekli koşullar çevrimiçi arXiv depolarında yer aldı, daha sonrasında ise Physical Review Letters dergisinde yayımlandı. Araştırmacılar parçacıkların kuantum spini olarak bilinen özelliklerinin, dışarıdan uygulanan bir kuvvetle, nasıl devamlı olarak düzenli aralıklarla tersine çevrilebileceğini araştırdı. Eğer bunu bir parçacık dizisine uygularlarsa, parçacıklar arası etkileşmelerin kendi spin salınımlarını meydana getirerek, “çalışan” bir zaman kristali oluşturacağını öngördüler.

Takip eden aylarda, laboratuvarda zaman kristalleri oluşturmak amacıyla iki farklı deney grubu ortaya çıktı. Gruplardan birisi, iterbiyum atomları dizisine, atomların özelliklerinde, ışınlardan farklı aralıklarda salınımlar meydana getiren lazer ışınları yolladı. Bu da iterbiyum atomlarının, zaman kristalleri gibi davrandığı anlamına geliyordu.

Diğer ekip ise, elmas kristali içerisindeki safsızlıklardan oluşan, bütünüyle farklı bir düzenek üzerine odaklandı. Ekip, safsızlıkların iyi belirlenmiş aralıklarda huzursuz davranmaları için mikrodalgalar kullandı ve ilk ekiple aynı şekilde zaman kristali salınımları gözlemledi. En sonunda zaman kristalleri üretilmiş ve Wilczek’in ana fikirleri doğrulanmış oldu.

Kristal geleceği

Zaman kristallerinin öngörülmesi, anlaşılması ve keşfedilmesi kuantum mekaniğinde yeni bir sayfa açıyor ve beraberinde maddenin bu yeni keşfedilmiş halinin özellikleri hakkında ve zaman kristallerinin doğada var olup olamayacağına dair sorular getiriyor.

Sıradan kristallerin simetri kırıcı özellikleri, akustik titreşimleri ve ışığı seçici olarak kontrol edecek biçimde tasarlanmış, protez cihazların performansını arttırmakta veya lazerlerin ve fiber-optiklerin verimini arttırmakta kullanılan fotonik ve fononik meta malzemelerin üretimine yol açtı. Yani zaman kristallerinin, zamandaki simetri kırıcı özelliklerinin, yine benzersiz alanlara doğru yollarını bulmaları olası; örneğin atomların doğasında olan özellikleri veriyi saklamak ve işlemek için kullanan, kuantum bilgi işlem alanında kullanılacak krono-meta malzemeler gibi.

Zaman kristallerinin öyküsü, bir teorik fizikçinin güzel bir fikir ortaya atmasıyla başladı ve şimdi ilk kısmı, 5 yılın ardından kesinleşmiş deneysel kanıtla birlikte tamamlanmış oldu. Bir sona varmak şöyle dursun, bilim insanları büyük kuramlarını kanıtlamaya devam ettiği için, fizik şimdiye dek hiç olmadığı kadar canlı görünüyor.