Apakah itu kristal masa?

Raline

Baru-baru ini saintis berjaya membuat satu penemuan baru yang dinamakan sebagai kristal masa (time crystal). Apakah itu kristal masa? Kristal masa ni bukan lah seperti apa yang anda semua bayangkan apabila anda dengar namanya buat kali pertama. Mesti anda semua membayangkan yang masa dibekukan dan disimpan di dalam kristal itu kan? Jangan nak tipu, admin pun bayangkan macam tu juga dulu. Sebelum kita pergi lagi dalam mengenai kristal masa ini mari kita fahami dulu apakah itu kristal. Kristal di dalam terma sains bahan membawa erti sesuatu bahan di mana struktur molekulnya berulang memenuhi ruang. Sebagai contoh kita lihat struktur quartz di bawah ini, anda boleh lihat perulangan “pattern” di dalam strukturnya, dan ulangan ini adalah memenuhi ruang 3 dimensi (dalam gambar 2 dimensi sahaja).


Sumber : Wikipedia

Untuk kristal masa pula, strukturnya berubah memenuhi masa. “Tapi kan admin semua benda berubah mengikut masa kan? Contoh macam air panas dibiar lama-lama jadi sejuk.” Ya semua benda berubah mengikut masa tapi semuanya berubah untuk mencapai keseimbangan (equilibrium). Air panas menjadi sejuk sebab nak seimbang dengan suhu sekeliling. Dalam kes kristal masa ini, ianya diteorikan bahawa bahan ini akan sentiasa berubah walaupun sudah berada di dalam keadaan seimbang dan berada pada tahap tenaga yang paling rendah (ground state). Teori ini melanggar dikatakan melanggar hukum pemuliharaan tenaga.

Bahan ini akan berubah dari keadaan asal ke keadaan yang lain dan kembali ke keadaan asal balik tanpa memerlukan tenaga (contoh : keadaan 1 -> keadaan 2 -> keadaan 1) dan ini akan berulang sepanjang masa. Disebabkan bahan ini diteorikan sentiasa berubah, ianya dikatakan mempunyai gerakan kekal (perpetual motion). Idea ini diasaskan oleh seorang ahli fizik dan juga pemenang anugerah Nobel bernama Frank Anthony Wilczek pada tahun 2012.  Walau bagaimanapun pada tahun 2015 dua orang ahli fizik Masaki Oshikawa dan Haruki Watanabe membuktikan bahawa apa yang diteorikan oleh Frank Wilczek itu adalah mustahil jika sesuatu sistem itu berada di dalam keadaan seimbang (equilibrium). Logik lah kan? Kalau sesuatu tu dah stabil takkan lah tiba-tiba dia nak kucar kacir tanpa ada pengaruh luar, contoh kalau sesuatu hubungan dah stabil takkan lah tiba-tiba nak berubah tanpa sebab, itu contoh je okay! Adakah pembuktian Masaki Oshikawa dan Haruki Watanabe itu menghentikan teori kristal masa itu? Semestinya tidak. Para saintis akan sentiasa mencuba pelbagai alternatif untuk merealisasikan sesuatu teori itu. Pada tahun 2016 seorang saintis bernama Norman Yao dan rakan-rakannya telah mencadangkan alternatif untuk menghasilkan kristal masa di dalam makmal.

Seperti yang diteorikan oleh Wilczek, bahan ini akan sentiasa berubah walaupun di dalam keadaan seimbang atau lebih tepat keseimbanga terma (thermal equilibrium). Keseimbangan terma membawa maksud bahawa sesuatu sistem itu tidak menerima tenaga dan tidak menghasilkan tenaga. Ini adalah sesuatu yang mustahil! Macam mana sesuatu objek itu nak berubah / bergerak kalau tiada tenaga untuk mengubah / menggerakkannya? Jadi Norman Yao mencadangkan supaya tenaga dari luar dibekalkan untuk memaksa atom-atom di dalam bahan tersebut berubah. Macam mana atom-atom tu berubah? Bayangkan atom-atom itu beratur, dan setiap atom ini ada spin tersendiri, spin ni kira macam keadaan (state) atom itu lah, ada spin up dan spin down. Bila atom-atom ni disusun sebelah menyebelah, mereka akan cuba menyusun spin mereka bergantung kepada atom bersebelahan, ada yang ikut (sebelah spin up, dia pun ikut spin up atau sebaliknya), ada yang menentang (sebelah spin up, dia spin down atau sebaliknya) atau dalam kata mudah atom-atom ni akan spin secara rawak.


Sumber : PBS Space Time

Kemudian tenaga akan dibekalkan kepada atom-atom itu untuk memaksa atom-atom tersebut mempunyai spin yang sama. Tenaga tersebut adalah daripada pancaran laser. Seperti yang diketahui, laser adalah gelombang elektromagnet dan ianya mempunyai kitaran (cycle) dan ayunan (oscillation). Ayunan inilah yang menyebabkan spin atom tersebut menjadi sama dan mula berayun.


Gelombang elektromagnet.
Sumber : http://www.edinformatics.com


Sumber : PBS Space Time


Sumber : PBS Space Time
Apabila pancaran laser itu dihentikan, Norman Yao menteorikan bahawa ayunan spin atom tersebut akan terus kekal mengikut ayunan laser yang dipancarkan awal tadi. Bukan itu sahaja, jika pancaran laser dengan ayunan baru dibekalkan kepada atom-atom yang sudah berayun itu tadi, ianya tidak akan mengikut ayunan laser yang baru itu, sebaliknya akan kekal dengan ayunan lama.


Sumber : PBS Time Space

Berdasarkan apa yang dicadangkan oleh Norman Yao ini, 2 kumpulan saintis dari  Universiti Maryland dan Universiti Havard telah berjaya mengasilkan kristal masa ini di dalam makmal. Kumpulan dari Universiti Maryland telah menggunakan 10 ion ytterbium dan dibekalkan akan tenaga dengan laser manakala kumpulan dari Universiti Havard menggunakan atom-atom nitrogen di dalam diamond dan gelombang mikro (microwave) sebagai pencetus ayunan. Hasil eksperimen dari kedua-dua kumpulan tersebut teli dengan apa yang diteorikan oleh Norman Yao sekali gus membuktikan kristal masa ini adalah sesuatu yang tidak mustahil untuk dihasilkan walaupun tidak lagi seperti apa yang dicadangkan oleh Frank Wilczek. Secara mudah analogi untuk kristal masa ini adalah sebuah agar-agar yang kekal bergoyang apabila kita tolak dia.

Jadi apa kegunaan kristal masa ni kan? Bidang utama yang boleh memanfaatkan penemuan kristal masa ini adalah komputer kuantum (quantum computer). Komputer klasik menggunakan bits 0 dan 1 untuk menyimpan dan menyampaikan maklumat, manakala komputer kuantum menggunakan keadaan spin atom (spin up / spin down) dan juga dipanggil sebagai quantum bits.

Admin harap admin dah dapat sampaikan apakah itu kristal masa dengan mudah, mungkin topik ini agak sukar untuk difahami tetapi admin telah bekalkan beberapa sumber rujukan untuk anda semua.

Berikut adalah sumber rujukan untuk artikel ini.

Time Crystal | Spacetime Journal Club
https://www.youtube.com/watch?v=5l1KxgHH2Ek

Time Crystals Are Real, But That Doesn’t Mean Time Is Crystallized
https://www.forbes.com/sites/sta ... lized/#1f68a63f3038

Absence of Quantum Time Crystals (Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa)
https://arxiv.org/abs/1410.2143

Discrete time crystals: rigidity, criticality, and realizations (Yao et al)
https://arxiv.org/abs/1608.02589

Gingerly

Menarikssss

I would cal that conserved "mitochondrial" crystal!
Bravo!!!