Ruszył polsko-australijski eksperyment z kryształami czasowymi

Kryształ czasowy to taki stan, w którym cząstki same organizują swój ruch w sposób regularny w czasie.

Kryształy przestrzenne znamy od lat i spotykamy zarówno w życiu codziennym, jak i w skomplikowanych zastosowaniach, jak przewodniki czy izolatory. Jednak kryształy czasowe to stosunkowo niedawna koncepcja naukowa, którą na początku uznano za niemożliwą do realizacji. Z biegiem czasu naukowcy ustalili warunki, w których możliwe jest zaobserwowanie samoorganizacji układu wielu ciał w czasie.

Prof. Krzysztof Sacha ustalił, że możliwe jest przeorganizowanie ruchu i pojawienie się nowego ruchu periodycznego, jeżeli będziemy rozważać układ, który jest napędzany przez zewnętrzną siłę.

– Wyobraziłem sobie układ, który jest fizycznie bardzo prosty. Zaczniemy analogią do ping-ponga. Możemy podbijać piłeczkę na rakietce i utrzymywać ją w ruchu. Odpowiednio dobrany ruch piłeczki i rakietki będzie zachodził periodycznie, w sposób nieprzerwany. Teraz wróćmy do nauki i zamieńmy pong-pong na chmurę ultrazimnych atomów, a rakietkę na atomowe lustro – opisuje prof. Sacha.

Jak wyjaśnia, takie lustro to wiązka fali elektromagnetycznej w kształcie tafli, które odbija atomy. Jeżeli atomy oddziałują ze sobą słabo, to nic ciekawego się nie dzieje. Ale jeśli atomy oddziałują dostatecznie silnie, to pojawia się bardzo specyficzny stan danego układu, który fizycy kwantowi nazywają kotem Shroedingera, który jednocześnie żyje i nie żyje.

– Dowolne zaburzenie tego układu, na przykład obserwacja, pomiar, powoduje, że cały układ samodzielnie przeorganizowuje swój ruch. Pojawia się nowa struktura krystaliczna w czasie – dodał profesor.

Pracę na ten temat opublikował w 2015 r. Natomiast w 2016 Amerykanie zrealizowali inne układy w laboratorium. Udało im się stworzyć kryształy czasu odmiennym sposobem.

Teraz przyszła pora na eksperyment według polskiego pomysłu. Prof. Sacha zrealizuje go w grupie prof. Petera Hannaforda z Swinburne University of Technology w Melbourne. 13 lutego ruszył trzyletni projekt badawczy finansowany przez Australijski Komitet Badań. Grupa australijska specjalizuje się w lustrach atomowe. Zespół z na Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie obliczył, jakie parametry są potrzebne żeby zrealizować kryształy czasowe.

– Wspólnie chcemy pokazać, że fizykę ciała stałego można obserwować w czasie. Tego nie ma jeszcze nigdzie na świecie, to zupełnie nowy obszar nauki. Układ stworzony przez amerykańskich naukowców nie pozwala na badania różnych własności fizyki ciała stałego w czasie. W naszym układzie z atomami odbijanymi przez lustro da się realizować bardzo ciekawe efekty znane z fizyki kryształów przestrzennych – przewodnictwo, izolatory – mam nadzieję, że podwaliny przyszłych zastosowań – mówi prof. Sacha.

Profesor przekonuje, że to przyszłościowy kierunek badań. Zaznacza, że amerykańska agencja związana z obronnością (tzw. DARPA) rozpisała konkurs na finansowanie badań związanych z kryształami czasowymi.

– Dziedzina kryształów czasowych została zapoczątkowana i się rozwija. To jest fantastyczna satysfakcja, kiedy tworzy się nową dziedzinę wiedzy. Bo jeżeli chcę się o czymś dowiedzieć, to nie mam możliwości sięgnąć do książki i przeczytać, jak to jest, tylko muszę to wymyślić – stwierdza prof. Sacha.

Dodaje, że coraz więcej grup naukowych oraz teoretycznych i eksperymentalnych zaczyna się tym zajmować. Element konkurencji stymuluje do pracy. Badacze dbają o to, żeby każde nowe odkrycie mogło pozostać przy macierzystych jednostkach naukowych, ale również dyskutują.

We wrześniu w Krakowie odbędzie się pierwsza na świecie konferencja poświęcona kryształom czasowym organizowana przez prof. Krzysztofa Sachę i dr. Arkadiusza Kosiora, w której wezmą udział jedni z najwybitniejszych fizyków kwantowych. Wśród gości znajdzie się dwóch noblistów: Wolfgang Ketterle i autor koncepcji kryształów czasowych, naukowiec polskiego pochodzenia Frank Wilczek.

Organizatorzy przewidzieli granty dla wybranych studentów, którzy chcieliby wziąć czynny udział w konferencji. Granty obejmą opłatę konferencyjną, a także koszty podróży i zakwaterowania w Krakowie. Aplikacje, czyli życiorys naukowy wraz z rekomendacją promotora oraz abstraktem wystąpienia, można nadsyłać do 30 kwietnia.