Nowe badanie opublikowane w Nature Materials opisuje system, który wygląda jak coś wyjętego z fantastyki naukowej: misterny układ wzorów w ciekłych kryształach, który po oświetleniu zaczyna pulsować, wirować i zmieniać kształt w powtarzalnym rytmie – niczym nigdy niekończący się GIF.
Czytaj też: Kryształ czasu z gigantycznych atomów. Nowy stan materii stworzony przez naukowców
Zespół Hanqinga Zhao i Ivana Smalyukha z University of Colorado Boulder wykorzystał do tego materiały doskonale znane z wyświetlaczy LCD. W odpowiednich warunkach “drgające” pasma pojawiają się same, bez dostarczania energii mechanicznej – wystarczy światło. Hanqing Zhao mówi:
Można je obserwować bezpośrednio pod mikroskopem, a w pewnych warunkach nawet gołym okiem.
To pierwszy raz, kiedy kryształ czasu nie jest wyłącznie zjawiskiem kwantowym ani ukrytym w ultrachłodnych laboratoriach. Tu widać go jak pulsujące prążki w próbce przypominającej mikroskopijny obraz tygrysich pasów.
Jak zbudować kryształ czasu?
Ciekłe kryształy są dziwnym tworem: ani to klasyczny płyn, ani ciało stałe. Ich podłużne cząsteczki potrafią się organizować w uporządkowane struktury, ale są przy tym elastyczne i wrażliwe na światło. Fizycy zamknęli niewielką ilość ciekłych kryształów między dwiema szklanymi płytkami pokrytymi barwnikiem. Gdy przez próbkę przechodzi światło, cząsteczki barwnika zmieniają orientację, “ściskają” ciekłe kryształy i wywołują lawinę deformacji – tysięcy mikroskopijnych skrętów i zagięć, które zaczynają zachowywać się jak cząstki.
Czytaj też: Z komputera kwantowego zrobili kryształ czasu. Niebywała transformacja w wykonaniu naukowców
Ivan Smalyukh mówi:
Wszystko rodzi się z niczego. Wystarczy światło i nagle cały świat kryształów czasu pojawia się w próbce.
Co ważne, układ jest odporny na zaburzenia. Zmiana temperatury nie przerywa jego “tańca” a to jedna z kluczowych cech, które odróżniają prawdziwy kryształ czasu od zwykłej niestabilnej struktury.
Idea kryształu czasu narodziła się w 2012 r. w głowie Franka Wilczka, laureata Nagrody Nobla. Zwykłe kryształy mają uporządkowaną strukturę w przestrzeni. Wilczek zapytał: a gdyby istniały struktury uporządkowane w czasie? Naukowcy szybko odkryli, że jego pierwotny model nie może działać – ale otworzył drzwi do nowej klasy faz materii. W kolejnych latach zaczęły powstawać pierwsze “kryształy czasu” z atomami, jonami i układami kwantowymi. W 2021 r. Google stworzył je nawet wewnątrz procesora Sycamore. Problem? Te kryształy istniały tylko w bardzo wymagających, kwantowych warunkach. Próba z CU Boulder jako pierwsza daje nam wersję “analogową”, widzialną – a więc dużo łatwiejszą do wykorzystania technologicznie.
Kryształy czasu mogą znaleźć zastosowanie w kilku obszarach. Badacze wskazują, że ich powtarzalne, dynamiczne wzory mogłyby posłużyć jako trudne do podrobienia zabezpieczenia antyfałszywkowe – wystarczyłoby oświetlić banknot, by “czasowy znak wodny” ujawnił charakterystyczny ruch. Innym kierunkiem jest magazynowanie danych: układanie kilku takich struktur jedna na drugiej tworzy złożone, zmieniające się w czasie sekwencje, swoisty “kod kreskowy czasu”, który mógłby przechowywać informację z dużą gęstością. Trzeci potencjalny obszar to nowe materiały i sensory, ponieważ stabilne, samoistnie oscylujące struktury mogą prowadzić do powstania czujników niewymagających zasilania albo elementów reagujących na światło w przewidywalny, kontrolowalny sposób.
Nowy kryształ czasu to dopiero początek. Zespół Smalyukha należy do międzynarodowego WPI-SKCM2 – instytutu, który bada nowe sztuczne formy materii i ich potencjalne zastosowania. Sama publikacja otwiera pole do współpracy między fizyką materii skondensowanej, optyką i inżynierią materiałową. Najważniejsze jest jednak to, że tym razem nie trzeba gigantycznych akceleratorów ani kriogenicznych pułapek atomowych, by obserwować coś, co jeszcze dekadę temu wydawało się fantazją. Wystarczy ciekły kryształ i światło.