Kryształy czasowe – wyjaśniamy dziwne odkrycie

Z klasycznymi kryształami spotkał się każdy z nas. Są nimi ziarenka soli kuchennej, płatki śniegu, grafit w ołówkach albo kamienie szlachetne takie jak diament. Wszystkie one mają wspólną cechę. Gdybyśmy popatrzyli na nie przez bardzo dobry mikroskop, okazałoby się, że atomy są w nich ułożone w regularną sieć i każdy z nich ma swoje dobrze określone miejsce.

Sieć krystaliczna powtarza się w przestrzeni. Rys. Workbit/Wikimedia Commons

Wyobraźmy sobie teraz, że jakaś tajemnicza siła zmniejszyła nas kilka miliardów razy, wepchnęła w kryształ diamentu i posadziła na jednym z atomów. Rozglądamy się wokół i widzimy wszystkie inne atomy ustawione w proste linie jak żołnierze podczas defilady. Wystarczy jednak, że zejdziemy z naszego atomu i przejdziemy nieco w bok, a obraz się zmieni. Wciąż będziemy widzieć atomy ustawione w rzędach, ale pod nieco innym kątem. Gdy jednak postanowimy iść dalej i dotrzemy do następnego atomu, obraz który zobaczymy, będzie dokładnie taki sam jak na początku naszej wędrówki. Każdy atom diamentu ma bowiem dokładnie takie samo otoczenie jak wszystkie pozostałe. Gdybyśmy wybrali jakiś           kierunek i uparcie szli dalej, widziany przez nas obraz cały czas by się zmieniał, ale sekwencja widoków regularnie powtarzałaby się, wprawiając nas zapewne w niezmierne znużenie. Tą regularną powtarzalność fizycy nazywają periodycznością w przestrzeni lub mówią, że kryształ posiada przestrzenną symetrię translacyjną.

Zauważmy jednak, że struktura tradycyjnego kryształu powtarza się w przestrzeni, ale pozostaje stała w czasie. Niezależnie w jakim momencie spojrzymy na nasz kryształ przez mikroskop, będzie on wyglądał tak samo. W szczególności taka sytuacja wystąpi w bardzo niskich temperaturach, w których zamiera jakikolwiek ruch atomów. Fizycy, używając swojego slangu, mówią wtedy, że atomy znajdują się w stanie podstawowym, co oznacza, że mniejszej energii mieć już nie mogą. Cały układ jest wtedy „zamrożony” i jego struktura trwa w czasie nie podlegając żadnym zmianom.

Kryształy w czasie

W 2012 roku prof. Frank Wilczek, amerykański fizyk teoretyk i laureat Nagrody Nobla, przewidział, że mogą istnieć nietypowe kryształy, w których atomy będą w stanie podstawowym, a mimo to struktura kryształu będzie się zmieniać okresowo w czasie.

Żeby zrozumieć o co chodzi, wyobraźmy sobie najprostszą karuzelę spotykaną na placach zabaw. Dajmy na to, że posiada ona cztery takie same miejsca siedzące. Można powiedzieć, że jest to całkiem dobry model kryształu. Krzesełka (jak atomy) są od siebie równo odległe i z perspektywy każdego z nich karuzela wygląda dokładnie tak samo. Stojąc z boku, układ krzesełek się nie zmienia, czyli jest trwały w czasie, podobnie jak porządny kryształ w stanie podstawowym. Wystarczy jednak zakręcić karuzelą, aby otrzymać coś zupełnie nowego. Układ siedzeń wciąż jest regularny, ale stojąc obok karuzeli z każdą chwilą widzimy inną ich konfigurację. Konfiguracja ta jednak odtwarza się w czasie, bo co kilka chwil przed naszymi oczami pojawia się to samo ułożenie krzesełek. Otrzymaliśmy zatem układ, który jest nie tylko periodyczny w przestrzeni ale jest również periodyczny w czasie. I tym właśnie są KRYSZTAŁY CZASOWE. Uwaga: nie kryształy czasu (tak nazywa się gra rpg), ale właśnie poprawnie po polsku „kryształy czasowe”. Rzadziej spotyka się nazwę „kryształy czasoprzestrzenne”.

Laserem w iterb

Fajnie się opowiada o karuzeli, ale jak ten pomysł przenieść do mikroświata? No i jeszcze jak wywołać ruch atomów w stanie podstawowym? Przecież w tym stanie nie powinno być żadnego ruchu! Istotnie, zadanie nie jest łatwe i sztuka ta udała się dopiero niedawno naukowcom z Uniwersytetu Maryland. Dokonali oni tego za pomocą atomów iterbu, który jest „egzotycznym” pierwiastkiem z dołu układu okresowego. Z dziesięciu takich atomów ułożyli idealnie prostą linię, a następnie za pomocą laserów wprowadzili je w stan podstawowy. Każdy atom był zjonizowany i posiadał spin ½. Tak, wiem, brzmi to zagadkowo, ale w pewnym uproszczeniu można sobie wyobrazić, że każdy atom był małym magnesem, który swój biegun północy mógł ustawić w dowolnym kierunku. Atomy w łańcuchu były na tyle blisko siebie, że „czuły” siebie nawzajem i w stanie podstawowym wszystkie ustawiły swoje bieguny północne w jednym kierunku. Mamy zatem idealne uporządkowanie zarówno atomów jak i ich spinów, czyli porządny kryształ.

A teraz najciekawsze. Fizycy włączyli dodatkowy laser, który spowodował wprowadzenie bardzo małego zaburzenia do układu. Zaburzenie było na tyle niewielkie, że nie spowodowało utraty stanu podstawowego. Zapoczątkowało jednak zmiany kierunku, w którym celowały północne bieguny atomów iterbu. Zmiany tego kierunku następowały periodycznie w czasie, tak samo dla wszystkich atomów. W każdym momencie obserwowano idealny porządek, ale z każdą chwilą ten porządek był trochę inny, odtwarzając się sam z siebie co jakiś czas. Tak samo jak w przypadku kręcącej się karuzeli. Oznacza to, że otrzymano po raz pierwszy kryształ czasowy przewidziany 5 lat temu przez Wilczka.

Nie liczmy na perpetuum mobile

Kryształy czasowe budzą duże zaciekawienie wśród fizyków, bo są nowym, wcześniej nieobserwowanym stanem materii. Ich własności i zachowanie są trudne do przewidzenia, co otwiera szerokie możliwości badania nieznanego obszaru fizyki. Czy uda się zbudować kryształy czasowe o wielkościach makroskopowych? Jak szybko nauczymy się wytwarzać je z innych atomów? Czy znajdziemy dla nich jakieś zastosowania? Tego jeszcze nikt nie wie. Pojawiają się jednak głosy, że ich odkrycie może pomóc w konstrukcji komputerów kwantowych, które już od tak dawna chcielibyśmy mieć na naszych biurkach.

No i jeszcze jedno. Stworzenie po raz pierwszy kryształów czasowych wzbudziło w internecie sporo zamieszania. Od razu pojawiły się głosy twierdzące, że oto zostało skonstruowane perpetuum mobile, no bo przecież otrzymaliśmy układ, który zmienia swój stan (porusza się) bez energii. I to bez końca. Być może dałoby się ten ruch wykorzystać w jakiś pożyteczny sposób i coś z jego pomocą zasilić? Spokojnie, pora ochłonąć. Kryształy czasowe nie łamią znanych nam praw fizyki i nie sposób pozyskać z nich energii. Pamiętajmy bowiem, że znajdują się one w swoim stanie podstawowym, czyli mniej energii mieć już nie mogą. Marzenia o niewyczerpanym źródle energii wciąż zatem pozostają mrzonką.

Autor, dr Michał Krupiński pracuje w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN i wraz z nami bierze udział w programie Rzecznicy Nauki