Az időkristályok valószínűtlen jelenségét alig egy évtizede jósolták meg, de azóta már sikerült a gyakorlatban is előállítani őket és most egy hasznos alkalmazási kört is találtak számukra.

Az elmúlt években az időkristálynak elnevezett jelenséget nagy érdeklődés övezte és a kutatók szerte a világon igyekeztek előállítani különböző verziókat belőle, sokaknak pedig sikerült is létrehozni ezeket a különös rendszereket. Az időkristály tulajdonképpen nem egy tárgy, hanem egy anyagi állapot, méghozzá olyan rendhagyó, hogy eleinte lehetetlennek tartották és kétségbe vonták a létezését is. A jelenséget Frank Wilczek, Nobel-díjas amerikai elméleti fizikus jósolta meg 2012-ben, de akkor még csak elméleti szinten, vagyis a teóriák világán kívül nem volt rá bizonyíték, hogy valóságos lenne a különös elképzelés.

Az időkristály hitetlenkedést kiváltó jellemzője, hogy úgy viselkedik, mint egy örökmozgó

- a perpetuum mobile pedig köztudottan megszegi a termodinamika második főtételét, miszerint egy zárt, külső hatásoktól mentes rendszer állapotváltozása egy irányba zajlik le, és a termikus egyensúly felé halad. Az időkristály esetében a termikus egyensúlyt valójában az állandó oszcilláció jelenti.

Ennek az anyagi állapotnak az elnevezése a kristályok szerkezetére utal: a kristályok térben alkotnak szimmetrikus, ismétlődő mintázatot, azaz kristályszerkezetet, az időkristály ismétlődése pedig időbeli. Két eltérő állapot között ingáznak állandó jelleggel energiaveszteség nélkül, elméletileg akár örökre is, mivel ez a folytonos váltakozás jelenti a legalacsonyabb energiaállapotukat, ami felé haladnak a rendszerek külső behatás nélkül. Az a felvetés, hogy egy rendszer legalacsonyabb energiaállapotát a folytonos mozgás jelenti 2012-ben még szokatlannak tűnt, de azóta sikerült több ízben is létrehozni ezt az anyagi állapotot, igaz, hogy egy kis csavarral. Definíció szerint az időkristály időbeli örök ismétlődésének fenntartása nem igényel semmilyen bevitt energiát, a folyamat beavatkozás nélkül sem áll le.

A laboratóriumi kísérletek során lézeres vagy mikrohullámú sugarakkal adtak lökést részecskéknek, amelyek ezután két állapot között kezdtek váltakozni és ez ciklikus állapotváltás a bevitt impulzus ismétlődésétől független ritmusra, illetve frekvenciára állt be. Az így megvalósuló rendszer megszegi az úgynevezett idő-transzlaciós szimmetriát, ami kimondja, hogy a fizikai szabályok, így egy tárgy szerkezetét meghatározó fizikai szabályok is, változatlanok maradnak az idő múlásával.

"Majdnem minden elképzelhető formája a szimmetriának spontán módon megtörik valahol a természetben, a kristályokban megtört transzlációs szimmetriától vagy a szupravezetőkben megtört fázis rotációs szimmetriától kezdve a megtört szuperszimmetriáig, ami a bozonok és fermionok közti különbséget eredményezi."

- írta a Cambridge Egyetem fizikusa, Jasper Van Wezel 2010-es tanulmányában - "A kvantummechanika egyetlen olyan szimmetriája, amiről nem igazán feltételezzük, hogy ki lenne téve a spontán törésnek, az az egységes idő-transzlációs szimmetria."

Az időkristályok tehát különleges helyet foglalnak el az anyagi állapotok között és ezért a vizsgálatuk izgalmas eredményeket hozhat a kutatók számára, de arra a kérdésre eddig nehéz volt választ találni, hogy mi is lehet a konkrét, gyakorlati hasznuk. Korábbi felvetések szerint segíthetik például a kvantumszámítógépek tervezését a bonyolult kvantumhálózatok szimulációjának révén, de egy újabb kutatás szerint úgy tűnik, hogy az időkristályok más módon is kapcsolódhatnak a kvantumszámítógépek megalkotásához. Kínai kutatók kísérletei szerint a diszkrét időkristályok szerepet kaphatnak a Greenberger-Horne-Zeilinger állapot stabilitásának fenntartásában és ezzel nagyszámú kvantumbit összekapcsolásában.

"A Greenberger-Horne-Zeilinger állapotok, mint maximálisan összefonódott Schrödinger macska állapotok, kulcsszerepet játszanak a kvantumfizika és - technológia megalapozásában, de óriási kihívást jelent megalkotni és megőrzni ezeket a törékeny állapotokat.

A diszkrét időkristályok (DTC), amelyek eredeti célja az egzotikus nem-egyensúlyi kvantumanyagok feltérképezése, nagy tudományos érdeklődést váltottak ki, de az, hogy ez a briliáns koncepció valódi alkalmazásokhoz vezet-e, kérdéses maradt." - írják a tanulmányban, amiben az időkristálynak a kvantumrendszereket a külső zavaroktól védő hatását mutatják be.