Strona główna

Czas zaklęty w kryształach

Numer 10/2020
Shutterstock
Pojęcie „kryształ czasowy” większości z nas kojarzy się z jakimś magicznym artefaktem, który pozwala na podróże w czasie lub przewidywanie przyszłości. Nic z tych rzeczy! Niemniej kryształy czasowe są równie ciekawym obiektem badań.
Model dyskretnego ­kryształu czasowego prof. Sachy.infografika Zuzanna Moroz Model dyskretnego ­kryształu czasowego prof. Sachy.
Model kryształu diamentu.Shutterstock Model kryształu diamentu.
Model wielowymiarowego kryształu czasowego prof. Sachy. Chmury ­atomów odbijają się między dwoma oscylującymi lustrami.Infografika dzięki uprzejmości Artura Miroszewskiego Model wielowymiarowego kryształu czasowego prof. Sachy. Chmury ­atomów odbijają się między dwoma oscylującymi lustrami.
Model ­dyskretnego kryształu ­czasowego naukowców z University of Maryland.infografika Zuzanna Moroz Model ­dyskretnego kryształu ­czasowego naukowców z University of Maryland.
Model kryształu soli kuchennej.Shutterstock Model kryształu soli kuchennej.
Obrotowa zamrażarka do otrzymywania ultrazimnych atomów.Mikko Raskinen/Aalto University Obrotowa zamrażarka do otrzymywania ultrazimnych atomów.

Wyobraźmy sobie przez chwilę, że tajemnicza siła zmniejszyła nas do rozmiarów atomów i umieściła w jakimś gazie (np. parze wodnej) lub w cieczy (np. ciekłej wodzie). Możemy do woli eksplorować nowe otoczenie, ciesząc się innym spojrzeniem na otaczający nas świat. Brzmi fascynująco? Zapewne. Ale, prawdę mówiąc, byłoby to niezmiernie… nudne doświadczenie. Nieważne, jak długo i w którym kierunku przemierzalibyśmy ten mikroświat, ciągle widzielibyśmy ten sam obraz. Dzieje się tak, ponieważ materia w postaci cieczy czy gazu jest statystycznie jednorodna lub – jak mówią fizycy – symetryczna. Wszystko jednak się zmienia, kiedy woda przekształca się w lód. Dochodzi wtedy do tzw. załamania symetrii, w którego wyniku molekuły wody spontanicznie organizują się w powtarzający się w przestrzeni regularny wzór, czyli kryształ. Nie wszystkie „punkty widokowe” w krysztale są równocenne. Wyobraźmy sobie teraz, że znaleźliśmy się we wnętrzu kostki lodu. Otaczające nas atomy ustawione są w rzędy jak krzesła na stadionie piłkarskim. Jeśli przesuniemy się o kilka kroków w bok, to obraz ten nieco się zmieni. Nasze atomy nadal będą ustawione w proste linie, ale pod trochę innym kątem. Wystarczy jednak, że będziemy dalej iść w obranym kierunku, a w pewnym momencie zobaczymy… dokładnie ten sam obraz, który widzieliśmy na samym początku. Innymi słowy, spacerując we wnętrzu kryształu przez dłuższy czas, zorientujemy się, że widziany przez nas obraz cały czas się zmienia, ale sekwencja tych widoków ciągle się powtarza (przyprawiając nas zapewne o zawrót głowy).

Czwarty wymiar

Tak więc struktura klasycznego kryształu powtarza się w przestrzeni, ale pozostaje niezmienna w czasie. Na pomysł dodania czwartego wymiaru do świata krystalografii wpadł w 2012 r. prof. Frank Wilczek z Massachusetts Institute of Technology. Naukowiec zastanawiał się wtedy, czy byłoby możliwe stworzenie układu, w którym ta sama konfiguracja drobin okresowo by się powtarzała. Innymi słowy, czy można złamać symetrię zarówno w przestrzeni, jak i w czasie? I co najważniejsze: czy kryształy te mogą powstawać spontanicznie, tak jak spontanicznie powstają kryształy przestrzenne?

Szybko okazało się, że stworzenie kryształu czasowego to twardy orzech do zgryzienia. Nie ma bowiem nic trudniejszego do okiełznania niż atomy. W temperaturze pokojowej zachowują się one jak kibice na stadionie – ciągle się wiercą i co chwilę podskakują. Bardzo trudno zatem nad nimi zapanować. Aby uspokoić całe to towarzystwo, prof. Wilczek zaproponował, aby je mocno schłodzić, aż do zera absolutnego (–273,15°C). Materia znajduje się wtedy w stanie podstawowym, czyli posiada swój minimalny poziom energii. Według wyliczeń naukowca w takim stanie atomy powinny spontanicznie organizować się w ruch periodyczny. Okazało się jednak, że atomy pozbawione energii w ogóle nie miały ochoty na podrygi, i to nawet w obecności pola magnetycznego. Spontaniczne formowanie się kryształów czasowych jest zatem po prostu niemożliwe, gdyż sprzeciwia się podstawowym prawom termodynamiki. Mimo to naukowcy z całego świata zafascynowali się tą tematyką. Wszak idea pochodziła od noblisty. Coś więc musiało być na rzeczy.

Kwantowy ping-pong

Nowy pomysł zaproponował prof. Krzysztof Sacha z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Naukowiec wyobraził sobie bardzo prosty układ: piłeczkę podbijaną na rakietce do tenisa stołowego. W odpowiednich warunkach ruch piłeczki będzie zachodził nieprzerwanie, w sposób periodyczny, z okresem równym okresowi drgań rakietki. Jeśli zaczniemy poruszać rakietką dwa razy szybciej, to przy odrobinie wprawy będziemy w stanie jednocześnie odbijać dwie piłeczki, które na zmianę będą uderzać w rakietkę. Następnie fizyk stworzył model teoretyczny, w którym zamienił rakietkę na lustro atomowe (wiązka fali elektromagnetycznej w kształcie tafli, która odbija atomy), a piłeczki na dwie chmury schłodzonych atomów. Jeśli oddziaływania między atomami będą słabe, to nic ciekawego się nie wydarzy. Jeżeli jednak będą one wystarczająco silne i będą mieć charakter przyciągający, to korzystniejsze energetycznie stanie się zgromadzenie wszystkich drobin w jednej chmurze. Nie wiadomo natomiast w której. Powstaje wówczas specyficzny stan kwantowy, zwany przez fizyków kotem Schrödingera. Z punktu widzenia fizyki kwantowej zamknięte w pudełku zwierzę jednocześnie żyje i jest martwe. Wystarczy jednak zajrzeć do środka pudełka, by stwierdzić, w którym z dwóch stanów znajduje się kot.

Podobnie sprawa wygląda z oddziałującymi ze sobą atomami. Drobiny te znajdują się jednocześnie w obu chmurach. Wystarczy jednak dokonać pomiaru położenia jednego z atomów – i wszystkie pozostałe momentalnie zmaterializują się w jednej z dwóch chmur. Druga chmura natomiast „zniknie”, a atomy zaczną uderzać dwa razy rzadziej w lustro (patrz schemat). Od tego momentu częstotliwość ruchu drobin będzie dwa razy mniejsza niż częstotliwość drgań podłoża, które ten ruch wywołało. To regularne przeorganizowanie ułożenia atomów w czasie nazwano dyskretnym kryształem czasowym. Polski naukowiec opublikował swoje rozważania w 2015 r., a cztery lata później ruszył trzyletni projekt, którego celem jest stworzenie systemu opisanego w jego pracy teoretycznej. W ramach programu prof. Krzysztof Sacha współpracuje z prof. Peterem Hannafordem ze Swinburne University of Technology w Melbourne – specjalistą w dziedzinie luster atomowych. Z niecierpliwością czekamy na wyniki tego eksperymentu. Tym bardziej że w 2017 r. dwie niezależne grupy badawcze z amerykańskich placówek, tj. z University of Maryland i Harvard University, zaobserwowały doświadczalnie podobne zjawisko w tzw. układach spinowych.

Taniec spinów

O co chodzi z tymi układami spinowymi? Otóż naukowcy z University of Maryland ustawili w jednej linii 10 jonów iterbu (pierwiastek chemiczny), a następnie potraktowali je serią impulsów laserowych. Każdy z jonów był bombardowany wiązką, która w sposób periodyczny zmieniała kierunek ich spinów. Innymi słowy i bardzo upraszczając: każdy z jonów iterbu zachowywał się jak bardzo mały magnes mogący ustawiać swój biegun północny w górę lub w dół. Ponieważ zmiana ta nie odbywała się dokładnie o 180°, jony potraktowano innym laserem, dzięki czemu zostały one pobudzone do wzajemnego oddziaływania. W efekcie wszystkie obracały swoje bieguny północne w tym samym kierunku idealnie o 180°. Dalej eksperyment polegał na periodycznym zaburzaniu spinów. Na przemian zmieniano kierunek spinów oraz wyłączano i włączano oddziaływania między nimi, i tak w kółko z tym samym okresem. W wyniku tych manipulacji powstała sytuacja, w której wszystkie spiny były jednocześnie skierowane i do góry, i w dół, czyli stan o własnościach kota Schrödingera. Jednak nie na długo. Wystarczyło bowiem ustalić kierunek jednego ze spinów i wszystkie pozostałe spontanicznie „podejmowały decyzję”, w którą stronę są skierowane. Od momentu pomiaru zmiana kierunku spinów zaczęła przebiegać z okresem dwa razy krótszym niż okres periodycznego zaburzenia. Mówimy, że spiny spontanicznie przeorganizowały swój ruch, czyli powstał dyskretny kryształ czasowy.

Podobne wyniki otrzymała grupa badawcza z Harvard University, która zamiast jonów iterbu użyła uwięzionych w strukturze diamentu atomów azotu, a zamiast laserów – promieniowania mikrofalowego. Oba doświadczenia zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Nature” i narobiły dużo medialnego szumu. Nic dziwnego. Według naukowców dalsze prace nad kryształami czasowymi mogą przyczynić się chociażby do powstania precyzyjnych zegarów atomowych, komputerów kwantowych, żyroskopów czy magnetometrów. Dlatego zainteresowała się nimi amerykańska DARPA (Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności), która je finansuje.

Patrząc w przyszłość

Idea prof. Wilczka zapoczątkowała dwa nurty badań. Pierwszy dotyczy właśnie sposobów otrzymywania kryształów czasowych. Drugi skupia się na właściwości tych obiektów i, co za tym idzie, ich możliwych zastosowaniach w przyszłości. Problem z kryształami czasowymi przedstawionymi powyżej polega jednak na tym, że na razie nie możemy ich tak po prostu zbadać, jak robimy to z kryształami przestrzennymi. Są to bowiem obiekty jednowymiarowe, w których czas jest tzw. jedynym stopniem swobody (jedyną zmienną). Niemniej prof. Sacha wie (przynajmniej w teorii), jak stworzyć wielowymiarowe (2D lub 3D) kryształy czasowo-przestrzenne. Wystarczy ustawić prostopadle do siebie dwa drgające lustra atomowe, między którymi poruszałyby się wprawione w ruch chmury atomowe. Powstanie wówczas dwuwymiarowy kryształ, którego zachowanie można by badać w czasie. Łatwo powiedzieć, trudniej zrobić. Albowiem obliczenia teoretyczne to jedno, a zrealizowanie ich doświadczalnie to drugie. Na szczęście fizycy teoretycy posiadają potężne modele pozwalające przewidzieć, jak nowe obiekty będą się zachowywać nie tylko w przestrzeni, ale też i w czasie. Czy zaobserwujemy te same zjawiska znane nam z fizyki ciała stałego, ale w domenie czasu? A może stworzymy nowe materiały o właściwościach nieistniejących w kryształach przestrzennych? Czas pokaże, czy wprowadzenie czwartego wymiaru do świata kryształów zrewolucjonizuje fizykę.

***

Z wykształcenia chemik. Po studiach na Uniwersytecie Warszawskim wyjechała do Francji, gdzie zdobyła tytuł doktora nauk chemicznych na Uniwersytecie Paul Sabatier w Tuluzie. Ma 10-letnie doświadczenie w badaniach naukowych obejmujących zagadnienia z chemii analitycznej, chemii materiałów oraz nanotechnologii. Popularyzacja nauki to jej pasja. Z miesięcznikiem „Wiedza i Życie” współpracuje od 2016 r.

***

Wszechobecne kryształy

Klasyczne kryształy spotykamy na co dzień. Są nimi diamenty, sól kuchenna czy płatki śniegu. Na pierwszy rzut oka obiekty te nie wydają się ze sobą w żaden sposób powiązane. Zbudowane są przecież z zupełnie innych elementów. Diament składa się z atomów węgla, sól – jonów sodu i chloru, a płatek śniegu – z molekuł wody. Wszystkie te obiekty łączy jedna cecha: elementy tworzące kryształy są ułożone w regularną strukturę, tzw. sieć krystalograficzną.

***

Pierwsza taka konferencja

We wrześniu ub.r. w Krakowie odbyła się pierwsza na świecie konferencja naukowa poświęcona kryształom czasowym. Wśród uczestników znaleźli się dwaj nobliści – Frank Wilczek oraz Wolfgang Ketterle (Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki za badania nad kondensatem Bosego-Einsteina). Organizatorem spotkania był prof. Krzysztof Sacha. Fakt, że tak ważne wydarzenie odbyło się w Polsce, świadczy o wysokim stopniu zaawansowania naszych badań nad kryształami czasowymi. Być może to właśnie w naszym kraju powstanie pierwsze urządzenie wykorzystujące właściwości tych niezwykłych obiektów.

***

Komputery kwantowe

Kryształy czasowe mogą być także kolejnym krokiem w drodze do stworzenia komputerów kwantowych. W sierpniu na łamach czasopisma „Nature Materials” pojawił się artykuł, w którym międzynarodowy zespół naukowców opisuje niezwykłe doświadczenie przeprowadzone z udziałem dwóch kryształów czasowych wykonanych z atomów rzadkiego izotopu helu-3. Po zetknięciu ich ze sobą kryształy te dwukrotnie wymieniły się magnonami (rodzaj kwazicząstek) bez utraty periodyczności w czasie i przestrzeni. Takie wzajemne oddziaływanie dwóch kryształów czasowych w tym samym układzie jest rodzajem interakcji uważanych za kluczowe do przetwarzania informacji w układach kwantowych. Dlatego naukowcy uważają, że opracowany system można by wykorzystać w przyszłości do budowy kubitów (podstawowych jednostek informacji w komputerze kwantowym).

01.10.2020 Numer 10/2020

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną