Kryształy czasowe stały się jeszcze łatwiejsze do wykonania

Nowy rodzaj kryształu czasowego może istnieć w temperaturze pokojowej, dzięki czemu ma jeszcze większe zastosowanie w świecie rzeczywistym.

Do stworzenia kryształu kosmicznego potrzebne jest ogromne ciśnienie powierzchni Ziemi, oddziałujące na minerały i magmę. Ale do stworzenia kryształu czasowego potrzebne są ezoteryczne równania i absurdalnie precyzyjne lasery.

Tak przynajmniej fizycy ukształtowali w zeszłym roku w laboratorium pierwszy samostojący kryształ czasowy. Teraz udało im się przekształcić go w jeszcze bardziej namacalny obiekt, tworząc kryształ czasu z pospolitych pierwiastków, który może wytrzymać temperaturę pokojową. Swoim projektem podzielili się 14 lutego w czasopiśmie Nature Communications.

Jeśli zastanawiasz się, czym jest kryształ czasowy (poza fantastyką naukową), to większość fizyków jeszcze do niedawna zadawała sobie to samo pytanie. Jest to forma materii, której istnienie zaproponowano dopiero w 2012 roku, a jej podstawowe stadia zaobserwowano dopiero w 2016 roku.

Aby zrozumieć ten skomplikowany rozdział mechaniki kwantowej, pomyśl o strukturze krystalicznej, takiej jak kawałek soli lub diament. Atomy znajdujące się w głębi tych obiektów są ułożone w powtarzające się, przewidywalne wzory w przestrzeni. Na przykład, jeśli weźmiesz kostkę lodu z zamrażarki i powiększysz ją do najmniejszej skali, zobaczysz, że atomy wodoru i tlenu w cząsteczkach wody tworzą mozaikę maleńkich sześciokątów. (To dlatego płatki śniegu są zazwyczaj sześciokątne).

W związku z tym fizycy nazywają takie formacje „kryształami kosmicznymi”. Ale tak jak trzy osie przestrzeni tworzą różne wymiary, tak samo czas tworzy wymiar. Fizycy zaczęli się zastanawiać, czy można znaleźć kryształ – lub coś podobnego – którego atomy tworzyłyby powtarzające się wzory w czasie.

W ciągu ostatnich kilku lat w laboratoriach na całym świecie pracowano nad tym, jak mógłby wyglądać kryształ czasu. Niektórzy zaczynali od kryształu przestrzennego, którego atomy były ułożone w jeden sposób. Następnie za pomocą precyzyjnie dostrojonego lasera „przerzucano” atomy do innego stanu, ogrzewano kryształ, aby ponownie przełączyć go do pierwszego układu, następnie do drugiego i tak dalej, z precyzyjną regularnością. Takie urządzenie napędzane laserem nazywane jest „dyskretnym kryształem czasowym”. (W teorii istnieją inne rodzaje kryształów czasowych).

W 2016 r. fizycy z Uniwersytetu w Maryland stworzyli podstawowy, ale dyskretny kryształ czasowy z atomów metalu ziem rzadkich – iterbu. Inne grupy pracowały nad egzotycznymi środowiskami, takimi jak wnętrze diamentu czy falisty stan materii zwany kondensatem Bosego-Einsteina. Ostatnio, w listopadzie 2021 r., fizycy z Uniwersytetu Stanforda i firmy Google ogłosili, że udało im się stworzyć kryształ czasowy w komputerze kwantowym.

Jednak początki kryształów czasowych były ograniczone. Po pierwsze, mogą one zazwyczaj występować tylko w temperaturach kriogenicznych, niewiele wyższych od zera bezwzględnego, i są niepraktyczne dla większości systemów używanych przez zwykłych ludzi. Częściowo z tego powodu kryształy czasowe funkcjonowały w odizolowanych systemach, takich jak komputery kwantowe, z dala od „prawdziwego świata”. Co więcej, nie były one trwałe: Zmiana między stanami zatrzymywała się po zaledwie milisekundach, prawie jak w przypadku zabawki, której skończyła się nić.

I tak jak kryształ przestrzenny może być duży lub mały w przestrzeni, w zależności od tego, jak bardzo wzór się powtarza, tak kryształ czasowy może być długi lub krótki, w zależności od czasu trwania każdego stanu. Dotychczas kryształy czasowe były raczej krótkie lub „małe”. Pozostawiało to miejsce na rozwój.

Dlatego grupa fizyków z całego świata postanowiła skonstruować kryształ czasowy, który ominąłby niektóre z tych problemów i – miejmy nadzieję – sprawdziłby się w prawdziwym świecie. Ich urządzenie składa się z kryształu o średnicy około 2 milimetrów, zbudowanego z atomów fluoru i magnezu. Do przechodzenia między wzorami wykorzystuje parę laserów, a może to robić w temperaturze 70 stopni Fahrenheita (temperatura pokojowa).

Gdy zespół naukowców skończył dostrajać swoje układy, okazało się, że może tworzyć kryształy czasowe „większe” niż jakiekolwiek inne, które wcześniej widziano. „Czas życia wygenerowanych w naszym systemie dyskretnych kryształów czasowych jest w zasadzie nieskończony” – powiedział w podcaście „Physics World Weekly” Hossein Taheri, inżynier elektryk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside, autor badania.

„Generalnie w fizyce, gdziekolwiek istnieje ścieżka wymiany energii między systemem a jego otoczeniem, tą samą ścieżką wkrada się hałas” – powiedział Taheri w podcaście. Może to zakłócić delikatną fizykę potrzebną do formowania się kryształów czasowych, dlatego też muszą być one ograniczane za pomocą tak niepraktycznych środków. Taheri i jego współpracownicy zdołali jednak obejść te ograniczenia, utrzymując zmianę stanu za pomocą dwóch laserów.

Dzięki osiągnięciu naukowców kryształy czasowe mogą być o krok bliżej do istnienia poza laboratorium. A jeśli tak, to jakie będą miały zastosowanie?

Nikt nie zamierza umieszczać kryształów czasowych w wehikułach czasu czy napędach warp, ale ich precyzyjne właściwości mogłyby dobrze współgrać z zegarami atomowymi lub krzemowymi chipami w specjalistycznych urządzeniach. Ponieważ są one napędzane światłem laserowym, mogłyby stanowić wsparcie dla mocniejszych połączeń światłowodowych. Mogłyby też pomóc ludziom lepiej zrozumieć fizykę kwantową i unikalne stany materii.

„Możemy wykorzystać nasze urządzenie do przewidywania tego, co można zaobserwować w znacznie bardziej złożonych eksperymentach” – powiedział w wywiadzie dla „Physics World Weekly” Andrey Matsko, inżynier z Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w Kalifornii i jeden z autorów projektu.

On i jego zespół uważają, że kryształy czasowe mogą zapoczątkować całą dziedzinę nauki o pięknej, nawiązującej do science-fiction nazwie: „timetronika”.

„Wierzę, że timetronika jest tuż za rogiem” – powiedział w podcaście Krzysztof Sacha, fizyk z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie i współautor badań. Tak więc, choć wciąż daleko nam do posiadania kryształów czasu, mogą one pojawić się w naszym świecie wcześniej, niż się spodziewamy.