Kristal waktu

Dalam fisika benda terkondensasi, kristal waktu adalah sistem kuantum partikel yang salah satu tingkat energi terendahnya tercapai saat partikel-partikelnya mengalami gerakan berulang. Sistem semacam ini tidak dapat kehilangan energinya ke lingkungan, dan berhenti karena sudah berada dalam keadaan dasar kuantumnya. Jadi, gerakan partikel tidak benar-benar mewakili energi kinetik selayaknya bentuk gerakan lain, ia justru memiliki "gerakan tanpa energi". Keberadaan kristal waktu pertama kali diusulkan secara teoretis oleh Frank Wilczek pada tahun 2012. Kristal waktu merupakan analogi dari benda kristal, tetapi berada dalam dimensi waktu, alih-alih tersusun secara berulang dalam dimensi ruang seperti kristal pada umumnya. Beberapa kelompok berbeda telah mendemonstrasikan materi dengan evolusi periodik yang stabil dalam sistem yang bergerak secara periodik.^[1]^[2]^[3]^[4]^[5] Dalam implementasi praktikal, kristal waktu suatu hari nanti mungkin dapat dimanfaatkan dalam teknologi memori kuantum.^[6]

Pembentukan kristal di alam merupakan manifestasi dari pemutusan simetri spontan, yang terjadi ketika keadaan energi terendah dari suatu sistem kurang simetris dibandingkan persamaan yang mengatur sistem tersebut. Dalam keadaan dasar kristal, simetri translasi kontinu dalam ruang akan rusak dan digantikan oleh simetri diskrit yang lebih rendah dari kristal periodik. Hukum fisika sebenarnya bersifat simetris di bawah translasi berkesinambungan dalam ruang dan waktu. Namun, pada tahun 2012 muncul sebuah pertanyan mengenai kemungkinan untuk dengan sementara mematahkan simetri ini, dan menciptakan "kristal waktu" yang tahan terhadap entropi.^[1]

Jika simetri translasi waktu diskrit rusak (yang dapat diwujudkan dalam sistem yang digerakkan secara berkala), maka sistem tersebut disebut sebagai kristal waktu diskrit. Sebuah kristal waktu diskrit tidak akan pernah mencapai kesetimbangan termal, karena merupakan jenis materi atau fase materi tak setimbang. Pemutusan simetri waktu hanya dapat terjadi pada sistem yang tak setimbang.^[5] Kristal waktu diskrit sebenarnya telah diamati di laboratorium fisika sejak tahun 2016 (hasil penelitiannya diterbitkan pada tahun 2017). Salah satu contoh kristal waktu yang menunjukkan ketidakseimbangan dengan simetri waktu rusak adalah cincin ion bermuatan yang terus berputar dalam keadaan energi terendah.^[6]

Sejarah

Gagasan mengenai kristal waktu terkuantisasi pertama kali dicetuskan pada tahun 2012 oleh Frank Wilczek,^[7]^[8] peraih penghargaan Nobel dan profesor di MIT. Pada tahun 2013, Xiang Zhang, seorang insinyur nanoteknologi di University of California, Berkeley, dan timnya mengungkapkan gagasan mengenai pembuatan kristal waktu dalam bentuk cincin ion bermuatan yang terus berputar.^[9]^[10]

Menanggapi Wilczek dan Zhang, Patrick Bruno (European Synchrotron Radiation Facility) dan Masaki Oshikawa (Universitas Tokyo) menerbitkan beberapa artikel yang menyatakan bahwa kristal ruang-waktu mustahil untuk diciptakan.^[11]^[12]

Referensi

^ ^a ^b Zakrzewski, Jakub (15 October 2012). "Viewpoint: Crystals of Time". physics.aps.org. APS Physics. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2 February 2017.
^ Sacha, Krzysztof (2015). "Modeling spontaneous breaking of time-translation symmetry". Physical Review A. 91 (3): 033617. arXiv:1410.3638 . Bibcode:2015PhRvA..91c3617S. doi:10.1103/PhysRevA.91.033617. ISSN 1050-2947.
^ Khemani et al. (2016)
^ Else et al. (2016).
^ ^a ^b Richerme, Phil (January 18, 2017). "How to Create a Time Crystal". Physics. American Physical Society. 10: 5. Bibcode:2017PhyOJ..10....5R. doi:10.1103/Physics.10.5 . Diakses tanggal 5 April 2021.
^ ^a ^b "Physicists Create World's First Time Crystal".
^ Wilczek, Frank (2012). "Quantum Time Crystals". Physical Review Letters. 109 (16): 160401. arXiv:1202.2539 . Bibcode:2012PhRvL.109p0401W. doi:10.1103/PhysRevLett.109.160401. ISSN 0031-9007. PMID 23215056.
^ Shapere, Alfred; Wilczek, Frank (2012). "Classical Time Crystals". Physical Review Letters. 109 (16): 160402. arXiv:1202.2537 . Bibcode:2012PhRvL.109p0402S. doi:10.1103/PhysRevLett.109.160402. ISSN 0031-9007. PMID 23215057.
^ See Li et al. (2012a, 2012b).
^ Wolchover, Natalie (25 April 2013). "Perpetual Motion Test Could Amend Theory of Time". quantamagazine.org. Simons Foundation. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2 February 2017.
^ See Bruno (2013a) and Bruno (2013b).
^ Thomas, Jessica (15 March 2013). "Notes from the Editors: The Aftermath of a Controversial Idea". physics.aps.org. APS Physics. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2 February 2017.

Artikel akademik

Boyle, Latham; Khoo, Jun Yong; Smith, Kendrick (2016). "Symmetric Satellite Swarms and Choreographic Crystals". Physical Review Letters. 116 (1): 015503. arXiv:1407.5876 . Bibcode:2016PhRvL.116a5503B. doi:10.1103/PhysRevLett.116.015503. ISSN 0031-9007. PMID 26799028.
Bruno, Patrick (2013a). "Comment on "Quantum Time Crystals"". Physical Review Letters. 110 (11): 118901. arXiv:1210.4128 . Bibcode:2013PhRvL.110k8901B. doi:10.1103/PhysRevLett.110.118901. ISSN 0031-9007. PMID 25166585.
Bruno, Patrick (2013b). "Comment on "Space-Time Crystals of Trapped Ions"". Physical Review Letters. 111 (2): 029301. arXiv:1211.4792 . Bibcode:2013PhRvL.111b9301B. doi:10.1103/PhysRevLett.111.029301. ISSN 0031-9007. PMID 23889455.
Else, Dominic V.; Bauer, Bela; Nayak, Chetan (2016). "Floquet Time Crystals". Physical Review Letters. 117 (9): 090402. arXiv:1603.08001 . Bibcode:2016PhRvL.117i0402E. doi:10.1103/PhysRevLett.117.090402. ISSN 0031-9007. PMID 27610834.
Grifoni, Milena; Hänggi, Peter (1998). "Driven quantum tunneling" (PDF). Physics Reports. 304 (5–6): 229–354. Bibcode:1998PhR...304..229G. CiteSeerX 10.1.1.65.9479 . doi:10.1016/S0370-1573(98)00022-2. ISSN 0370-1573. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2017-02-11.
Guo, Lingzhen; Marthaler, Michael; Schön, Gerd (2013). "Phase Space Crystals: A New Way to Create a Quasienergy Band Structure". Physical Review Letters. 111 (20): 205303. arXiv:1305.1800 . Bibcode:2013PhRvL.111t5303G. doi:10.1103/PhysRevLett.111.205303. ISSN 0031-9007. PMID 24289695.
Guo, Lingzhen; Liang, Pengfei (2020). "Condensed matter physics in time crystals". New Journal of Physics. 22 (7): 075003. arXiv:2005.03138 . Bibcode:2020NJPh...22g5003G. doi:10.1088/1367-2630/ab9d54.
Khemani, Vedika; Lazarides, Achilleas; Moessner, Roderich; Sondhi, S. L. (2016). "Phase Structure of Driven Quantum Systems". Physical Review Letters. 116 (25): 250401. arXiv:1508.03344 . Bibcode:2016PhRvL.116y0401K. doi:10.1103/PhysRevLett.116.250401. ISSN 0031-9007. PMID 27391704.
Li, Tongcang; Gong, Zhe-Xuan; Yin, Zhang-Qi; Quan, H. T.; Yin, Xiaobo; Zhang, Peng; Duan, L.-M.; Zhang, Xiang (2012a). "Space-Time Crystals of Trapped Ions". Physical Review Letters. 109 (16): 163001. arXiv:1206.4772 . Bibcode:2012PhRvL.109p3001L. doi:10.1103/PhysRevLett.109.163001. ISSN 0031-9007. PMID 23215073.
Li, Tongcang; Gong, Zhe-Xuan; Yin, Zhang-Qi; Quan, H. T.; Yin, Xiaobo; Zhang, Peng; Duan, L.-M.; Zhang, Xiang (2012b). "Reply to Comment on "Space-Time Crystals of Trapped Ions"". arXiv:1212.6959 . Bibcode:2012arXiv1212.6959L.

Lindner, Netanel H.; Refael, Gil; Galitski, Victor (2011). "Floquet topological insulator in semiconductor quantum wells". Nature Physics. 7 (6): 490–495. arXiv:1008.1792 . Bibcode:2011NatPh...7..490L. doi:10.1038/nphys1926. ISSN 1745-2473.
Mendonça, J. T.; Dodonov, V. V. (2014). "Time Crystals in Ultracold Matter". Journal of Russian Laser Research. 35 (1): 93–100. doi:10.1007/s10946-014-9404-9. ISSN 1071-2836.
Nozières, Philippe (2013). "Time crystals: Can diamagnetic currents drive a charge density wave into rotation?". EPL. 103 (5): 57008. arXiv:1306.6229 . Bibcode:2013EL....10357008N. doi:10.1209/0295-5075/103/57008. ISSN 0295-5075.
Robicheaux, F.; Niffenegger, K. (2015). "Quantum simulations of a freely rotating ring of ultracold and identical bosonic ions". Physical Review A. 91 (6): 063618. Bibcode:2015PhRvA.91063618R. doi:10.1103/PhysRevA.91.063618 . ISSN 2469-9926.
Sacha, Krzysztof (2015). "Modeling spontaneous breaking of time-translation symmetry". Physical Review A. 91 (3): 033617. arXiv:1410.3638 . Bibcode:2015PhRvA..91c3617S. doi:10.1103/PhysRevA.91.033617. ISSN 2469-9934.
Sacha, Krzysztof (2015). "Anderson localization and Mott insulator phase in the time domain". Scientific Reports. 5: 10787. arXiv:1502.02507 . Bibcode:2015NatSR...510787S. doi:10.1038/srep10787. PMC 4466589 . PMID 26074169.
Sacha, Krzysztof; Zakrzewski, Jakub (2018). "Time Crystals: a review". Reports on Progress in Physics. 81 (1): 016401. arXiv:1704.03735 . Bibcode:2018RPPh...81a6401S. doi:10.1088/1361-6633/aa8b38.
Shirley, Jon H. (1965). "Solution of the Schrödinger Equation with a Hamiltonian Periodic in Time". Physical Review. 138 (4B): B979–B987. Bibcode:1965PhRv..138..979S. doi:10.1103/PhysRev.138.B979. ISSN 0031-899X.
Smith, J.; Lee, A.; Richerme, P.; Neyenhuis, B.; Hess, P. W.; Hauke, P.; Heyl, M.; Huse, D. A.; Monroe, C. (2016). "Many-body localization in a quantum simulator with programmable random disorder". Nature Physics. 12 (10): 907–911. arXiv:1508.07026 . Bibcode:2016NatPh..12..907S. doi:10.1038/nphys3783. ISSN 1745-2473.
Volovik, G. E. (2013). "On the broken time translation symmetry in macroscopic systems: Precessing states and off-diagonal long-range order". JETP Letters. 98 (8): 491–495. arXiv:1309.1845 . Bibcode:2013JETPL..98..491V. doi:10.1134/S0021364013210133. ISSN 0021-3640.
von Keyserlingk, C. W.; Khemani, Vedika; Sondhi, S. L. (2016). "Absolute stability and spatiotemporal long-range order in Floquet systems". Physical Review B. 94 (8): 085112. arXiv:1605.00639 . Bibcode:2016PhRvB..94h5112V. doi:10.1103/PhysRevB.94.085112. ISSN 2469-9950.
Wang, Y. H.; Steinberg, H.; Jarillo-Herrero, P.; Gedik, N. (2013). "Observation of Floquet-Bloch States on the Surface of a Topological Insulator". Science. 342 (6157): 453–457. arXiv:1310.7563 . Bibcode:2013Sci...342..453W. doi:10.1126/science.1239834. hdl:1721.1/88434. ISSN 0036-8075. PMID 24159040.
Wilczek, Frank (2013a). "Wilczek Reply" (PDF). Physical Review Letters. 110 (11): 118902. Bibcode:2013PhRvL.110k8902W. doi:10.1103/PhysRevLett.110.118902. ISSN 0031-9007. PMID 25166586. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2017-02-11. Diakses tanggal 2021-10-06.
Wilczek, Frank (2013). "Superfluidity and Space-Time Translation Symmetry Breaking". Physical Review Letters. 111 (25): 250402. arXiv:1308.5949 . Bibcode:2013PhRvL.111y0402W. doi:10.1103/PhysRevLett.111.250402. ISSN 0031-9007. PMID 24483732.
Yoshii, Ryosuke; Takada, Satoshi; Tsuchiya, Shunji; Marmorini, Giacomo; Hayakawa, Hisao; Nitta, Muneto (2015). "Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov states in a superconducting ring with magnetic fields: Phase diagram and the first-order phase transitions". Physical Review B. 92 (22): 224512. arXiv:1404.3519 . Bibcode:2015PhRvB..92v4512Y. doi:10.1103/PhysRevB.92.224512. ISSN 1098-0121.
Zel'Dovich, Y. B. (1967). "The quasienergy of a quantum-mechanical system subjected to a periodic action" (PDF). Soviet Physics JETP. 24 (5): 1006–1008. Bibcode:1967JETP...24.1006Z. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2017-02-11. Diakses tanggal 2021-10-06.

Buku

Sacha, Krzysztof (2020). Time Crystals. Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics. 114. Springer. doi:10.1007/978-3-030-52523-1. ISBN 978-3-030-52522-4.