Dyskretny urok kryształów czasowych zbadany przez Polaka

Każdy, kto przyglądał się kryształkom cukru, hodował na nitce kryształki soli albo zachwycał się kamieniami szlachetnymi, może się domyślić, jak regularną strukturę mają kryształy. Ich części składowe – atomy czy jony – samoorganizują się, a więc układają się w sposób bardzo uporządkowany w przestrzeni.

A naukowcy wpadli na szalony pomysł: może istnieją grupy atomów, które również się same porządkują, ale nie w przestrzeni, tylko w czasie – a więc poruszają się w sposób periodyczny? Jako pierwszy nad kryształami czasowymi zaczął się zastanawiać Frank Wilczek w 2012 r. A że naukowiec (polsko-włoskiego pochodzenia) miał już na koncie Nagrodę Nobla, jego pomysł spotkał się z dużym zainteresowaniem. Na całym świecie ruszyły próby znalezienia takich dziwacznych kryształów.

Tematem tym zainteresował się także prof. Krzysztof Sacha z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Dwa lata temu ukazała się jego praca teoretyczna, w której zasugerował, jak można by było wytworzyć tzw. dyskretne kryształy czasowe.

Prof. Sacha opowiada w rozmowie z PAP, że na razie nie wiadomo nic o kryształach czasowych, które powstawałyby ot tak, w układach wielu atomów przygotowanych w stanie o najniższej energii – jak sugerował Wilczek. Ale jak się okazuje, atomy można odpowiednio do takich periodycznych działań „zmotywować”.

Kwantowy ping-pong

Prof. Sacha wpadł na pomysł czegoś w rodzaju mikrorakietki do ping ponga. Na niej odbijałyby się rytmicznie bardzo zimne atomy. W ten sposób można byłoby doprowadzić do powstania pozostających w bardzo specyficznej superpozycji dwóch chmur atomów – które niczym piłeczki odbijałyby się od rakietki na zmianę. O co chodzi? Fizyk przypomina, że to tak, jak z kotem Schroedingera, który jest w superpozycji dwóch stanów – życia i śmierci (jednocześnie w każdym i w żadnym z tych stanów). Dopiero kiedy zajrzymy do pudełka (dokonamy obserwacji), układ się zdeklaruje, w którym z tych stanów jest.

Podobnie byłoby w tym kwantowym ping pongu. Atomy nie za bardzo „wiedziałyby”, w której z dwóch piłeczek się znajdują i nie bardzo by je to interesowało, do momentu, kiedy ktoś powiedziałby „sprawdzam!” i postanowił zbadać, gdzie atomy się znajdują. I wtedy „materializowałaby” się tylko jedna z tych grup. – Wystarczyłoby „spojrzeć” na jeden atom, a pozostałe zaczęłyby się poruszać z okresem dwa razy dłuższym niż okres oscylacji podłoża – rakietki – komentuje prof. Sacha i dodaje: kiedy nastąpi zaburzenie, układ wypada z superpozycji, samoorganizuje się i jest bardzo odporny na zaburzenia. W ten sposób – według niego – można utworzyć dyskretny kryształ czasowy. Zaznacza, że taka sytuacja może mieć tylko wtedy miejsce, kiedy atomy znajdują się wystarczająco blisko siebie – oddziaływania między nimi są odpowiednio silne.

Fizyk opowiada, że z dokładnie tego samego założenie wyszli – niezależnie od pracy badacza z UJ – naukowcy z USA. Oni jednak zaproponowali inne doświadczenie, które miało pokazać ten sam mechanizm. Wzbudzali cząstki do oscylacji za pomocą fal elektromagnetycznych. – Dopiero później dowiedzieli się o istnieniu mojej pracy – wzdycha fizyk.

Jakie zastosowania?

– Jeżeli w tradycyjnym krysztale przestrzennym, dokonamy pomiaru w jednym ustalonym czasie, zobaczymy, że w przestrzeni istnieje periodyczna struktura. A kiedy przechodzimy do kryształu czasowego, to role tych dwóch wielkości – czasu i przestrzeni – trzeba zamienić – mówi badacz i dodaje, że musimy wtedy ustalić położenie w przestrzeni i pytać czy periodyczna struktura powstaje w czasie.

Badacz opisuje jak to wyglądało w jego pomyśle: ustawiamy detektor – w nieruchomym miejscu nad rakietką do ping-ponga i sprawdzamy, czy rytmicznie klika – rejestruje cząstki – z okresem dwa razy dłuższym niż okres ruchu rakietką. I rzeczywiście, tak by się działo. – Pojawia się nowa struktura krystaliczna, ale na osi czasu – opowiada naukowiec. Dodaje, że takiego regularnego klikania by nie było, gdyby atomy nie były ze sobą w żaden sposób powiązane, a po prostu skakałyby sobie swobodnie na rakietce.

Prof. Sacha wyjaśnia, do czego kiedyś w przyszłości mogą posłużyć kryształy czasowe. – Zwykłe kryształy przestrzenne mogą mieć różne właściwości. Niektóre z nich są przewodnikami, inne – izolatorami. Mamy nadzieję, że podobnie będzie można wytwarzać kryształy czasowe o różnorodnych właściwościach – komentuje. Dodaje, że na przykład już jest pomysł, jak można byłoby opracować kryształ czasowy o cechach izolatora – izolator Andersona w czasie.

Kryształy czasowe są też nadzieją dla informatyki kwantowej, bo cząstki tworzące kryształy są odporne na zaburzenia i można nimi manipulować nie burząc ich uporządkowania.