Fińscy fizycy połączyli dwa niezwykłe "czasoprzestrzenne kryształy". Po co?

W kryształach regularne struktury powtarzają się w przestrzeni. W 2012 roku fizyk Frank Wilczek wpadł na niezwykły pomysł. A gdyby struktura powtarzała się nie w przestrzeni, a czasie? Obliczył, że jest to teoretycznie możliwe i nazwał taką strukturę time cystal - kryształem w czasie lub kryształem czasu.

Struktura takiego kryształu czasowego regularnie zmieniałaby się w czasie bez dostarczania energii z zewnątrz - choć z praw fizyki wynika, że aby zmienić stan układu, trzeba dostarczyć energię. Wilczek wiele razy tłumaczył, że jego pomysł nie ma nic wspólnego z perpetuum mobile.

Kryształy takie mogą bowiem istnieć tylko w odpowiednim, odizolowanym od otoczenia stanie. Inaczej natychmiast tracą swoje niezwykłe, kwantowe własności. Pomysł Wilczka był jednak na tyle ciekawy, że kilka zespołów fizyków próbowało takie kryształy stworzyć. 

W marcu 2021 roku polsko-niemiecka grupa badaczy (z Instytutu Inteligentnych Systemów im. Maxa Plancka w Stuttgarcie oraz Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu i Polskiej Akademii Nauk) po raz pierwszy stworzyła kryształ zaproponowany przez Wilczka. 

Zaprezentowali nawet jego nagranie wideo. Użyli nazwy "spacetime crystal" czyli kryształ czasoprzestrzenny.

Nie był zbudowany z fizycznych cząstek, lecz tak zwanych kwazicząstek: magnonów. To wzbudzenia spinów elektronów, które mogą się przemieszczać w materiale, jakby były cząstkami.

Teraz naukowcy z Uniwersytetu Aalto w Finlandii donoszą, że udało im się połączyć ze sobą dwa kryształy czasoprzestrzenne w jeden kwantowy układ. Również wykorzystali do tego magnony. 

Fińscy fizycy schłodzili hel-3 (izotop, w którego jądrze jest tylko jeden neutron) do temperatury o dziesięciotysięczną część stopnia wyższej od zera bezwzględnego. Sprawiło to, że pojawiły się w nim tak zwane kondensaty Bosego-Einsteina (to stany o najniższej możliwej energii cząstek, w których cząstki się na siebie “nakładają" i zachowują się, jakby były jedną cząstką).

Gdy naukowcy dwa takie kondensaty do siebie zbliżyli, wymieniły się magnonami. Taki stan oscylował bez dopływu energii z zewnątrz. Spełnia więc definicję “kryształu czasu".

Trudno powiedzieć. 

W sierpniu 2021 roku badacze z MIT oraz Google zbudowali taki kryształ w układach komputera kwantowego Sycamore, który Google skonstruowało trzy lata wcześniej, w 2019 r. Był to “bardziej prawdziwy" kryształ Wilczka, bo zbudowany z fizycznych cząstek, a nie kwazicząstek.

Wilczek przyznaje, że spełniał definicje "kryształu czasoprzestrzennego". I żartował, że taki stan przypomina stan procesora, gdy natrafia na pętlę kodu i się zawiesza. Według niego takie czasoprzestrzenne kryształy mogą być "ciekawym przypadkiem usterki kwantowych komputerów". 

Ale kto wie, być może kryształy czasu (czy czasoprzestrzenne) do czegoś się kiedyś przydadzą. Niepozorne początki miały niektóre największe wynalazki - choćby laser.