Jak kryształy czasu mogą być przydatne w przyszłych technologiach

Aby stworzyć kryształ kosmiczny, potrzebujesz ogromnego ciśnienia powierzchni Ziemi na minerały i magmę. Ale aby stworzyć kryształ czasu, potrzebujesz ezoterycznych równań i absurdalnie dokładnych laserów.

Przynajmniej tak fizycy stworzyli w zeszłym roku pierwszy autonomiczny kryształ czasu w laboratorium. Teraz przekształciły się w jeszcze bardziej namacalny obiekt, tworząc kryształ czasu ze zwykłych elementów, które mogą wytrzymać temperaturę pokojową. Podzielili się swoim projektem na Gazeta Komunikacja przyrodnicza 14 lutego.

Jeśli zastanawiasz się, czym jest kryształ czasu (poza sci-fi o pulpie), większość fizyków do niedawna miała to samo pytanie. Jest to forma materii, która nie został zaproponowany do 2012 roku, a w elementarnych stadiach był widziany dopiero w 2016 roku.

Aby zrozumieć ten niestabilny rozdział mechaniki kwantowej, pomyśl o skrystalizowanej strukturze, takiej jak bryła soli lub diament. Atomy wewnątrz tych obiektów są ułożone w przestrzeni w powtarzalne i przewidywalne wzory. Na przykład, jeśli wyjmiesz kostkę lodu z zamrażarki i zbliżysz się do najmniejszej skali, zobaczysz atomy wodoru i tlenu w cząsteczkach wody tworzące mozaikę maleńkich sześciokątów. (To dlatego, że płatki śniegu są zwykle sześciokątne.)

W rezultacie fizycy nazywają te formacje również „kryształami kosmicznymi”. Ale tak jak trzy osie przestrzeni tworzą różne wymiary, czas również tworzy wymiar. Fizycy zaczęli się zastanawiać, czy mogą znaleźć kryształ – lub coś podobnego – którego atomy tworzą powtarzające się w czasie wzory.

[Related: What the heck is a time crystal, and why are physicists obsessed with them?]

W ciągu ostatnich kilku lat laboratoria na całym świecie pracowały nad odkryciem, jak może wyglądać kryształ czasu. Niektórzy zaczęli od kryształu kosmicznego, którego atomy były ułożone w jedną stronę. Następnie brzęczyli kryształ za pomocą lasera dostrojonego do „odwrócenia” atomów do innego stanu, podgrzewania go ponownie, aby przełączyć się z powrotem do pierwszego układu, do drugiego i tak dalej, z precyzyjną regularnością. Ta napędzana laserem konfiguracja jest w szczególności nazywana „dyskretnym kryształem czasu”. (Teoretycznie istnieją inne rodzaje kryształów czasu.)

W 2016 roku fizycy na Uniwersytecie Maryland stworzył podstawowy, ale dyskretny kryształ czasu z atomami iterbu z metalu ziem rzadkich. Inne grupy majstrowały przy egzotycznych środowiskach, takich jak wnętrze diamentu lub falisty stan materii zwany kondensatem Bosego-Einsteina. Niedawno, w listopadzie 2021 r., fizycy z Uniwersytetu Stanforda i Google ogłosili, że stworzył kryształ czasu na komputerze kwantowym.

Ale wczesne kryształy były ograniczone. Po pierwsze, zwykle mogą istnieć tylko w temperaturach kriogenicznych tuż powyżej zera absolutnego i są niepraktyczne dla większości systemów używanych przez ludzi. Częściowo z tego powodu te kryształy czasu istniały w izolowanych systemach, takich jak komputery kwantowe, z dala od „rzeczywistego świata”. Co więcej, nie były trwałe: przełączanie między stanami kończyło się po zaledwie milisekundach, prawie jak nakręcana zabawka, która kończy się drutem.

I tak jak kryształ kosmiczny może być duży lub mały w przestrzeni w zależności od tego, jak często wzór się powtarza, tak kryształ czasu może być długi lub krótki w zależności od czasu trwania każdego stanu. Kryształy czasu do tej pory wydają się być krótkie lub „małe”. Pozostawiło to miejsce na wzrost.

Tak więc ta globalna grupa fizyków postanowiła zaprojektować kryształ czasu, który ominął niektóre z tych problemów i miejmy nadzieję, że będzie działał w prawdziwym świecie. Jego urządzenie składa się z kryształu o średnicy około 2 milimetrów, utworzonego z atomów fluoru i magnezu. Wykorzystuje parę laserów do poruszania się między wzorami i może to robić w temperaturze 70 stopni Fahrenheita (temperatura pokojowa).

Gdy zespół zakończył ulepszanie swoich systemów, okazało się, że mogą stworzyć różne „większe” kryształy czasu niż kiedykolwiek wcześniej. „Czas życia kryształów dyskretnych generowanych w naszym systemie jest w zasadzie nieskończony” Hossein Taheripowiedział inżynier elektryk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside i uczestnik badań Podcast „Tygodnik Fizyka Świat”.

„Zazwyczaj w fizyce, gdziekolwiek istnieje ścieżka wymiany energii między systemem a jego otoczeniem, hałas przenika również tą samą drogą” – powiedział Taheri w podkaście. Może to zniweczyć delikatną fizykę wymaganą do tworzenia kryształów czasu, dlatego muszą być powstrzymywane za pomocą tak niepraktycznych środków. Ale Taheri i jego współpracownicy zdołali ominąć ograniczenia, utrzymując zmianę stanu za pomocą dwóch laserów.

[Related: The trick to a more powerful computer chip? Going vertical.]

Wraz z osiągnięciem naukowców kryształy czasu mogą być o krok bliżej do istnienia poza laboratorium. Jeśli tak jest, jakie mieliby aplikacje?

Nikt nie będzie w najbliższym czasie umieszczał kryształów czasu w wehikułach czasu lub napędach warp, ale ich precyzyjne właściwości mogą dobrze łączyć się z zegarami atomowymi lub chipami krzemowymi do specjalistycznych urządzeń. Lub, ponieważ są zasilane światłem laserowym, mogą obsługiwać silniejsze połączenia światłowodowe. Alternatywnie mogą pomóc ludziom lepiej zrozumieć fizykę kwantową i unikalne stany materii.

„Możemy użyć naszego urządzenia do przewidywania tego, co możemy zaobserwować w znacznie bardziej złożonych eksperymentach” – powiedział tygodnikowi Physics World Weekly Andrey Matsko, inżynier z Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w Kalifornii i inny z autorów.

W rzeczywistości on i jego zespół sądzą, że kryształy czasu mogą zrodzić całą dziedzinę nauki o pięknej nazwie science fiction: „timetronika”.

„Wierzę, że nadchodzi czasonika”. Krzysztof Sacha, fizyk z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie i współautor badań, powiedział w podcaście. Więc chociaż wciąż jesteś daleko od możliwości utrzymywania kryształów czasu, mogą one wejść do twojego świata wcześniej, niż się spodziewasz.