Časový krystal z 1D řetězce atomů ytterbia. Kredit: Chris Monroe.

Pro většinu lidí představují krystaly jiskřivé, čiré nebo rozmanitě barevné minerály, které mohou být velmi drahé anebo se alespoň pěkně vyjímají v domácí sbírce pozoruhodností. V takových krystalech se pravidelně opakuje jejich atomární struktura, důsledně uspořádaná v krystalické mřížce. Pak jsou ale ještě časové krystaly (anglicky time crystals, případně space-time crystals). Přitom není řeč o zajímavé rekvizitě ze superhrdinského komiksu – časovými krystaly se vážně zabývají fyzici.

Norman Yao (ten vespod). Kredit: Harvard University.

Časové krystaly jsou takové struktury, které jsou periodické nejen v prostoru, ale i v čase. Je to vlastně rozšíření krystalu do čtvrté dimenze časoprostoru. Časové krystaly vymyslel poněkud extravagantní fyzik a nobelista Frank Wilczek z MIT. V roce 2012 přišel s tím, že by mohly existovat struktury, v nichž se odehrávají periodické oscilace ve stavu s nulovou energií. Jak už se to u takových bláznivých nápadů stává, časové krystaly si rychle našly vášnivé příznivce i zaryté odpůrce. V roce 2013 jsme na OSLU psali o tom, že se misky vah osudu naklonily v neprospěch časových krystalů a vypadalo to s nimi doopravdy zle. Nicméně, v roce 2016 se objevily dvě studie teoretických fyziků z Princetonu a Kalifornské univerzity v Santa Barbaře, které nezávisle na sobě potvrdily, že je teoreticky možné časové krystaly v podobě navrhované Wilczekem vytvořit. A od té doby to už jede jako po másle.

Frank Wilczek. Kredit: F. Wilczek.

Před pár dny se ve významném online časopisu Physical Review Letters objevil článek, jehož autorem je Norman Yao z Kalifornské univerzity v Berkeley. Detailně v něm popisuje, jak časový krystal vyrobit, jak ho pak změřit, a jak bude vypadat. Nejlepší ovšem je, že nezůstalo jenom u teoretizování. Jak to u podobných převratných objevů bývá zvykem, Yao byl v kontaktu se dvěma nezávislými týmy fyziků a už před časem poslal jim rukopis svého článku s návodem na časové krystaly. A týmy z Marylandské univerzity a z Harvardu nezahálely. Přesto, že použily odlišné postupy, tak oba dva týmy nakonec úspěšně vytvořily časové krystaly, a s nimi i novou formu hmoty.

Ametyst sice ochrání proti opilosti, ale časový krystal to není. Kredit: Didier Descouens / Wikimedia Commons.

Badatelé z Marylandské univerzity vyrobili časové krystaly z řetězce deseti iontů ytterbia, jejichž spiny elektronů mezi sebou interagují – podobně jako systémy qubitů ve vyvíjených kvantových počítačích. Tým z Harvardu zase vytvořil časové krystaly z hustě uspořádaných nitrogen-vacancy center v diamantu. Tato centra vznikají nahrazením dvou atomů uhlíku z krystalové mřížky diamantu atomem dusíku (nitrogen) a prázdným místem (vacancy). Jestliže vědci vytvořili časové krystaly těmito v konkrétních detailech značně odlišnými postupy, tak to ukazuje, že časové krystaly nebudou jenom nějakou kuriozitou velmi specifických systémů, ale novou a plnohodnotnou fází hmoty. Pozorování vytvořených časových krystalů rovněž potvrdilo, že skutečně narušují symetrii posunutí v čase (time translation symmetry), jak bylo předpovězeno.

Nově vytvořené časové krystaly periodicky oscilují v čase, tak jak mají. Jsou tudíž hmatatelným příkladem doposud jen teoretické nerovnovážné (non-equilibrium) hmoty. Takový materiál je permanentně vykolejený z rovnováhy a nedokáže se ustálit ve stabilním uspořádání, v jakém jsou rovnovážné klasické materiály. Podle některých názorů by se časové krystaly a podobně nerovnovážné materiály mohly stát základem téměř dokonalých počítačových pamětí, které by nalezly využití ve kvantových počítačích zítřka. S časovými krystaly se teď určitě budeme potkávat častěji.

Video:  Quantum Physics and Universal Beauty - with Frank Wilczek


Literatura
University of California – Berkeley 26. 1. 2017, Physical Review Letters 118: 030401, Wikipedia (Space-time crystal).