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 czasu 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".

Prof. Sacha wpadł na pomysł czegoś w rodzaju mikrorakietyki 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.

"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 czasu o różnorodnych właściwościach" - komentuje. Dodaje, że na przykład już jest pomysł, jak można byłoby opracować kryształ czasu o cechach izolatora - izolator Andersona w czasie.

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

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/