Tidskrystaller har lenge vært omtalt som en av fysikkens mer eksotiske tilstander, og de fleste forbinder dem med kvantefysikk. Nå viser et forskerteam ved New York University at et lignende fenomen kan oppstå i et klassisk system – ved hjelp av høyttalere og små kuler av isopor.
Oppsettet kan være et uvanlig ryddig eksempel på en klassisk tidskrystall, og samtidig en praktisk «lekegrind» for å studere såkalte ikke-resiproke interaksjoner i stor skala. Her påvirker partikler hverandre gjennom spredte lydbølger, ikke gjennom direkte og balanserte krefter.
– Tidskrystaller er fascinerende, ikke bare på grunn av mulighetene, men også fordi de virker så eksotiske og kompliserte, sier fysikeren David Grier ved New York University.
– Systemet vårt er bemerkelsesverdig fordi det er utrolig enkelt.
Hva er egentlig en tidskrystall?
Tidskrystaller ble først forutsagt i 2012. Begrepet beskriver ikke et bestemt objekt, men en type oppførsel: et mønster som gjentar seg – ikke i rom, men i tid.
I vanlige krystaller, som kvarts, diamant og salt, er atomene ordnet i et regelmessig gitter som gjentar seg i tre dimensjoner. En del av mønsteret kan legges oppå en annen del og passe perfekt.
En tidskrystall handler om gjentakelse i tid: et system av partikler som oscillerer i et stabilt, periodisk mønster. Det sentrale er at oscillasjonen oppstår av samspillet i systemet selv, og ikke fordi noen utenfra «tikker» eller dytter systemet med en ytre rytme. På den måten brytes tids-symmetrien, og frekvensen blir et resultat av dynamikken mellom delene.
Mange tidligere demonstrasjoner har vært kvantesystemer der sammenfiltring spiller en rolle. I dette arbeidet dukket tidskrystall-lignende oppførsel opp i en klassisk, makroskopisk setting, nærmest ved et uhell mens forskerne undersøkte en annen type interaksjoner.
Isoporkuler som kan sveve i lyd
Forskerne brukte små kuler av polystyren, bare én til to millimeter i diameter. Slike kuler er lette nok til å kunne holdes oppe av lydfelt, men samtidig stive nok til å tåle akustiske krefter uten å deformeres mye. De har også små variasjoner i størrelse og form, noe som er viktig når man vil studere ikke-resiproke effekter.
I eksperimentet justerte teamet et lite høyttaleroppsett til å danne en stående lydbølge – et lydmønster som i utgangspunktet er stabilt og balansert. Deretter ble kulene plassert inn i feltet. Når lyden treffer kulene, spres bølgene, og denne spredningen skaper igjen krefter som kan påvirke både kulene selv og naboene deres.
– Lydbølger kan legge krefter på partikler, på samme måte som bølger på en dam kan dytte på et blad som flyter, sier fysikeren Mia Morrell ved New York University.
– Vi kan få objekter til å sveve mot tyngdekraften ved å plassere dem i et lydfelt som kalles en stående bølge.
Når kreftene ikke er like store begge veier
Nøkkelen ligger i at to kuler ikke nødvendigvis påvirker hverandre like mye. En litt større kule vil forstyrre lydfeltet mer enn en mindre kule. Dermed kan kraften den større kulen «sender» mot den mindre, bli større enn kraften den mindre kulen «sender» tilbake.
Dette kalles en ikke-resiprok interaksjon. Slike fenomener er kjent innen akustikk og optikk, men de er ofte små og vanskelige å isolere tydelig i et eksperiment.
Da forskerne brukte oppsettet til å studere disse interaksjonene, oppdaget de at når betingelsene var helt riktige, begynte to kuler å oscillere i et regelmessig mønster i tid – uten at noen ristet, dyttet eller la inn en ekstern rytme.
Stabilt i timevis – med bare to partikler
Oscillasjonen kunne holde seg stabil i flere timer. I stedet for å være en kortvarig fluktuasjon, «låste» systemet seg til en robust og vedvarende tilstand med gjentakende mønster.
At det kun trengs to kuler, er også spesielt: Det er i praksis det minste mulige systemet som kan vise tidskrystall-lignende oppførsel, dersom kriteriene oppfylles.
Hva kan dette brukes til?
Forskerne peker på at det foreløpig ikke finnes åpenbare praktiske bruksområder. Likevel kan funnene gjøre det mer fristende å utforske flere systemer der ikke-resiproke interaksjoner spiller en rolle.
Blant annet finnes det biokjemiske prosesser i kroppen som kan være ikke-resiproke. Det betyr ikke at døgnrytmen vår er en tidskrystall, men det åpner for spørsmål om lignende prinsipper kan dukke opp i biologiske sammenhenger.
Resultatet illustrerer også et mer generelt poeng: Man trenger ikke alltid dyrt og avansert utstyr for å studere tilsynelatende «rare» fenomener i fysikken. Noen ganger kan høyttalere og isopor være nok.
Funnene er publisert i tidsskriftet Physical Review Letters.
