Red iz haosa: naučnici stvorili vremenski kristal pomoću sinhronizovanih vibracija

Vremenski kristali, nekoć smatrani nemogućima, stanje su materije u kojem se komponente — bilo atomi, zvučni talasi ili topološki defekti — kreću u pravilnom, ponavljajućem ritmu. Dosad su posmatrani u raznim sistemima, od atomskih rešetki do lebdeće stiroporne kugle. Sada su fizičari otkrili novi način nastanka vremenskog kristala: ne nametanjem vanjskog ritma, već spontanim procesom u kojem se suprotstavljene vibracije postepeno usklađuju, a red izranja iz haosa.

Tim predvođen Jonasom Veenstrom sa Univerziteta u Amsterdamu koristio je 3D-štampan dvodimenzionalni metamaterijal — materijal čija svojstva proizlaze iz strukture, a ne iz hemijskog sastava. Sastojao se od 37 jedinica raspoređenih u rešetku sličnu saću, pri čemu je svaka jedinica bila sačinjena od tri elastična heksagona opremljena senzorima, aktuatorima i malim elektronskim kontrolerom.

Neuzajamne interakcije i "zgrušavanje talasa"

Ključ eksperimenta bile su tzv. neuzajamne interakcije — situacije u kojima uticaj jednog dijela sistema na drugi nije nužno vraćen. Istraživači su programirali heksagone tako da kada je jedan sabijen, njegov susjed u smjeru kazaljke na satu također biva sabijen, dok se susjed u suprotnom smjeru širi. Ta asimetrična reakcija omogućila je inženjering neuzajamnih interakcija koje su htjeli proučavati.

Nakon potiska koji je unio male, nasumične poremećaje, jedinice su u početku vibrirale brzo — oko 30 puta u sekundi. Postepeno su se, međutim, pojavili veći talasi koji su putovali rubom materijala i nadjačali manje oscilacije. Kako su talasi postajali duži, oscilacije su se usporavale, dok se konačno cijela struktura nije kretala u jedinstvenom, sinhronizovanom ritmu. Proces su istraživači nazvali "wave coarsening" (zgrušavanje talasa).

Stabilnost naspram poremećaja

Jedan od najvećih izazova u istraživanju vremenskih kristala je njihova krhkost — već i mali poremećaj može sistem vratiti u haos, posebno u sistemima s jednom ili dvije prostorne dimenzije. Zato je nastanak stabilnog ritma u dvodimenzionalnom materijalu posebno zanimljiv.

Da bi pokazali da sinhronizovane oscilacije nisu prolazna pojava, istraživači su se poslužili matematičkom analizom i simulacijama na računaru, unoseći šum u model da vide hoće li uništiti ritam. Nisu ga uništili — rezultati su pokazali da oscilacije ostaju koherentne uprkos poremećajima, čak i kada sistem približava efektivno beskonačnoj veličini.

Tim nije stao na saću. Željeli su provjeriti može li se efekt pojaviti u sistemu s drugačijom arhitekturom, pa su napravili prstenasti oblik — elastični prsten sa 24 motora, programirana da proizvode neuzajamne interakcije između susjednih dijelova. Postavili su ga na aerohokej sto, što mu je omogućilo da lebdi uz minimalno trenje. Kada su aktivirali motore i poremetili prsten, talasi su počeli putovati njegovim obimom, deformišući ga u niz promjenljivih poligonalnih oblika. Kako su talasi postajali duži i sporiji, poligoni su dobijali sve manje stranica, dok kretanje prstena nije počeo dominirati jedan jedini obrazac velike razmjere.

Istraživači nisu posebno utvrdili da je i ovaj sistem formirao vremenski kristal, ali je otkrio nešto važno o zgrušavanju talasa. Njihova matematička analiza pokazala je da, kako talasi rastu u amplitudi, mijenjaju dinamiku sistema, sve više favorizujući talase s dužim talasnim dužinama. Ti veći talasi zatim jačaju, dodatno pomjerajući ravnotežu u svoju korist. Time nastaje povratna sprega u kojoj dominantni talasi postaju sve veći i sporiji, sve dok ne dostignu granice nametnute samom veličinom materijala. Umjesto da sinhronizovan ritam nametaju spolja, istraživači su pronašli način da materijal organizuje vlastite vibracije.

Na kraju, bilo je još jedno iznenađenje. Istraživači su otkrili i da se proces može prekinuti. U njihovom matematičkom modelu dodavanje trenja promijenilo je to koji talasi mogu rasti: najduži talasi bili su potisnuti, sprječavajući vibracije da nastave reorganizaciju. Time bi otkriće moglo otvoriti nove puteve za razumijevanje kako se materija organizuje u trajne obrasce u vremenu.