Wiedzą jak zbudować kryształ czasoprzestrzenny

Wieczny zegar, który będzie idealnie odmierzał czas nawet po końcu wszechświata, struktura, która pozwoli naukowcom na badanie złożonych właściwości fizycznych, takich jak np. splątanie czy układy wieloczłonowe. Teoretyczna koncepcja takiej struktury, zwanej kryształem czasoprzestrzennym, kryształem 4D, w którym oprócz przestrzeni mamy uwzględniony też wymiar czasu, powstała w umysłach naukowców już jakiś czas temu. Jednak dotychczas nikt nie wiedział, jak coś takiego można by zbudować.

Zespół pracujący pod kierunkiem uczonych z Lawrence Berkeley National Laboratory opracował właśnie eksperymentalny projekt takiego kryształu. Miałby on bazować na elektrycznej pułapce jonowej oraz prawie Coulomba i odpychaniu się cząstek o jednakowym ładunku.

Pole elektryczne pułapki jonowej utrzymuje cząstki na miejscu, a siły Coulomba powodują, że spontanicznie formują one przestrzenny kryształ w kształcie pierścienia. Po włączeniu słabego statycznego pola magnetycznego ten jonowy kryształ zacznie się nieprzerwanie obracać. Ciągły obrót uwięzionych jonów powoduje pojawienie się porządku czasowego, co z kolei prowadzi do powstania czasoprzestrzennego kryształu o najniższym stanie energetycznym - mówi Xiang Zhang z Berkeley Lab. Jako, że kryształ znajduje się w najniższym możliwym stanie energetycznym może teoretycznie istnieć nawet wówczas, gdy wszechświat osiągnie maksymalną entropię.

Koncepcja kryształu z porządkiem czasowym została zaproponowana w bieżącym roku przez Franka Wilczka, noblistę z Massachusetts Institute of Technology. Wilczek matematycznie udowodnił, że takie kryształy mogą istnieć. Dotychczas nie wiadomo było jednak, jak je zbudować.

Kryształ czasoprzestrzenny wygląda jak perpetuum mobile, a jego stworzenie jest, na pierwszy rzut oka, nieprawdopodobne. Musimy jednak pamiętać, że nadprzewodnik, a nawet zwykły metalowy pierścień mogą, w odpowiednich warunkach, pozwolić na nieprzerwany ruch elektronów znajdujących się w kwantowym stanie podstawowym. Oczywiście elektronom takim brakuje porządku przestrzennego i dlatego nie mogą zostać użyte do stworzenia kryształu czasoprzestrzennego - mówi Tongcang Li, jeden ze współpracowników Zhanga. Li dodaje, że zaproponowany przez nich kryształ czasoprzestrzenny nie jest perpetuum mobile, gdyż znajduje się w stanie podstawowym i jako taki nie pozwala na pozyskanie zeń energii. Jednak taki kryształ może być nieocenionym narzędziem dla wielu badań.

Kryształ czasoprzestrzenny byłby sam w sobie systemem wieloczłonowym. Jako taki pozwoliłby na szukanie odpowiedzi dotyczących fizyki systemów wieloczłonowych. Na przykład moglibyśmy się dowiedzieć, w jaki sposób powstaje kryształ czasoprzestrzenny, jak przerwanie symetrii przekłada się na czas, jakie kwazicząsteczki istnieją w krysztale czasoprzestrzennym, jaki wpływ na kryształ mają nieprawidłowości w jego budowie. Odpowiedzi na te pytania znacząco polepszyłyby nasze rozumienie natury - dodaje Li.

Inny członek grupy badawczej, Peng Zhang, zauważa, że kryształ taki mógłby również umożliwiać przechowywanie i przekazywanie informacji kwantowej w czasie i przestrzeni, a wiedza, jaką dzięki niemu moglibyśmy zyskać pozwoliłaby na powstanie wielu nowych technologii i urządzeń.

Grupa Zhanga chce przełożyć swój teoretyczny projekt na praktykę. Największym problemem będzie schłodzenie jonowego pierścienia do stanu podstawowego. Jednak kłopot ten można przezwyciężyć już w najbliższej przyszłości, wraz z rozwojem technologii produkcji pułapek jonowych. Jako, że nikt nigdy nie stworzył kryształu czasoprzestrzennego, nie znamy jego właściwości i będziemy musieli je poznać. Takie badania powiększą naszą wiedzę o przejściu fazowym i złamaniu symetrii - dodaje Xiang Zheng.