Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nawigacja okruszkowa Nawigacja okruszkowa

Nawigacja Nawigacja

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

To nie science-fiction. Kryształy czasowe istnieją!

To nie science-fiction. Kryształy czasowe istnieją!

Pojęcie „kryształ czasu” brzmi jak żywcem wyjęte z powieści fantastyczno-naukowej. Nic bardziej mylnego! Kwantowe kryształy czasowe udało się uzyskać w laboratoriach Uniwersytetów Maryland i Harvarda. Już wcześniej ich istnienie przewidział prof. Krzysztof Sacha z Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Więcej o nauce?! Dołącz do profilu strony. www NAUKA.uj.edu.pl na Facebooku 

Żeby wyjaśnić, czym są kryształy czasowe musimy przypomnieć sobie, czym są „zwykłe” kryształy. Powstają one, gdy w wyniku oddziaływania między atomami następuje ich samoorganizacja i zaczynają one tworzyć struktury w przestrzeni. Najprościej rzecz ujmując taki kryształ przestrzenny (dla odróżnienia od czasowego) to twór złożony z regularnie ułożonych atomów. Przypomina on dobrze znaną folię bąbelkową, którą tworzy właśnie taka regularna sieć bąbelków. Czym w takim razie będzie  kryształ czasowy? To struktura, która spontanicznie powtarza to samo ułożenie jej elementów nie w przestrzeni, a w czasie.

Ciekawe? Przeczytaj także: Dlaczego w Polsce nie ma ogromnych złóż ropy i gazu?

„Szturchanie” atomów

Początki kryształów czasowych sięgają 2012 roku. To właśnie wówczas noblista Frank Wilczek doszedł do wniosku, że prawa fizyki powinny pozwolić na ich istnienie. Według oryginalnego pomysłu Wilczka istnieją układy wielu ciał w stanie o najniższej energii, które w wyniku wzajemnego oddziaływania spontanicznie zaczynają poruszać się ruchem okresowym, czyli takim, który powtarza się w regularnych odstępach czasu, na podobieństwo wahadła zegara. Szybko okazało się, że to niemożliwe. Idea Wilczka zainspirowała jednak innych badaczy do dalszych poszukiwań. Od samego początku idea kryształów czasowych wzbudziła zainteresowanie także na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ.

Problem z oryginalną ideą Wilczka polega na tym, że jeżeli przygotuje się układ wielu ciał w stanie o najniższej energii, nie mogą one spontanicznie wprawić się w ruch okresowy. W 2015 roku okazało się, że samoorganizację w czasie można zaobserwować w układach, które od samego początku traktowane są periodyczną, czyli powtarzającą się w regularnych odstępach czasu, siłą. Prof. Krzysztof Sacha pokazał, że dzieje się tak, kiedy dwie chmury ultrazimnych  atomów odbijane są na zmianę przez drgające regularnie podłoże (rys. 1). Jeżeli oddziaływania między atomami są słabe, nie obserwujemy nic ciekawego. Sytuacja zmienia się, gdy oddziaływania stają się wystarczająco silne. Wówczas dzieje się rzecz zdumiewająca. Tworzy się bardzo specyficzny kwantowy stan wielu ciał, który jest bardzo czuły na wszelkie zaburzenia. Wystarczy wówczas lekko „szturchnąć” jeden atom, by jedna chmura zniknęła, a pozostałe atomy od razu zaczęły poruszać się z okresem dwa razy dłuższym niż okres oscylacji podłoża (rys. 2). Zachodzi tzw. dyskretna samoorganizacja w czasie i vóila: powstaje dyskretny kryształ czasowy!

Ciekawe: Przeczytaj także: Jak pogoda w kosmosie wpływa na nasz świat?

Otwarcie na przyszłość

Rok później w 2016 niezależne pomysły opublikowały inne grupy naukowców zauważając, że dyskretne kryształy czasowe można uzyskać w grupach atomów o skorelowanych spinach. Eksperymenty takie przeprowadzono w dwóch laboratoriach amerykańskich, a wyniki demonstrujące frapujący stan nazwany „a matter of time” zostały ogłoszone w prestiżowym czasopiśmie naukowym Nature.

Do czego mogą przydać się kryształy czasowe? Być może da się je wykorzystać w eksperymentach, których celem jest rozwiązanie niektórych problemów z zakresu informatyki kwantowej. Najnowsze odkrycia zapoczątkowały też zupełnie nową gałąź badań kryształów czasowych: modelowanie zachowań krystalicznych w domenie czasu. Okazuje się, że zjawiska znane z fizyki kryształów przestrzennych można również obserwować w domenie czasu i w tej dziedzinie prekursorem badań jest grupa prof. Sachy z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Już wiadomo, że kryształy czasowe, podobnie jak kryształy przestrzenne, mogą być izolatorami lub przewodnikami. Dostajemy zatem możliwość budowy nowych symulatorów kwantowych – układów, które modelują inne, trudniejsze w eksperymentalnej realizacji, układy.

Polecamy również
Zmiany klimatu tworzą nowe wyspy [video]
Magnetyczny rezonans jądrowy bez wielkich i drogich magnesów
Nobel 2017 z chemii: mroźny mikroskop
Nobel 2017 z fizyki. Fale grawitacyjne w naukowej pułapce