Klasyczne kryształy, takie jak sól czy diament, charakteryzują się uporządkowaną strukturą atomów powtarzającą się w przestrzeni. W ostatniej dekadzie fizycy zaczęli jednak badać znacznie bardziej egzotyczne stany materii, w których regularność pojawia się nie w przestrzeni, lecz w czasie. Tzw. kryształy czasu są układami kwantowymi, w których ruch cząstek powtarza się okresowo bez ciągłego doprowadzania energii, co oznacza spontaniczne złamanie symetrii translacji w czasie.
Autorzy nowej pracy postanowili połączyć tę ideę z koncepcją struktur moiré. W fizyce materiałów wzory moiré (bądź mory) powstają wtedy, gdy nałożymy na siebie dwie niemal identyczne sieci krystaliczne z niewielkim przesunięciem lub skręceniem. Takie interferencyjne wzory mogą radykalnie zmieniać właściwości elektronów w materiale i prowadzić do powstawania zjawisk takich jak nadprzewodnictwo czy silnie skorelowane stany kwantowe.
Badacze zaproponowali jednak bardziej abstrakcyjne podejście: zamiast nakładać na siebie warstwy materiałów, skręcić można samą oś czasu. W zaproponowanym modelu ultrazimne atomy są utrzymywane w pozbawionej struktury pułapce, a następnie poddawane serii okresowych impulsów, na przykład poprzez pola magnetyczne lub wiązki laserowe. Impulsy te działają z kilkoma różnymi częstotliwościami, które rezonują z naturalnym ruchem atomów. W rezultacie układ spontanicznie organizuje się w dwuwymiarowy wzór mory powstający nie w zwykłej przestrzeni, lecz w tzw. przestrzeni fazowej powiązanej z czasem.
Symulacje komputerowe obejmujące tysiące oddziałujących ze sobą atomów sugerują, jakoby w takim układzie mogły powstawać regiony nadciekłe. Nadciekłość to stan materii, w którym płyn może poruszać się bez żadnego tarcia wewnętrznego, zachowując jednocześnie pełną koherencję kwantową. W zaproponowanym systemie wzór mory wyznacza strukturę, wzdłuż której rozkłada się ta koherencja – zarówno w przestrzeni, jak i w czasie.
Jedną z najciekawszych konsekwencji tej koncepcji jest możliwość “programowania” właściwości materii poprzez zmianę sekwencji impulsów sterujących układem. W tradycyjnych materiałach moiré konieczne jest precyzyjne ustawienie warstw atomowych pod odpowiednim kątem, co bywa bardzo trudne technologicznie. W proponowanym układzie wystarczyłaby zmiana parametrów pola laserowego lub magnetycznego, aby przeprojektować strukturę kwantową bez modyfikowania samego eksperymentu.
Czytaj też: Fizycy stworzyli katapultę, a teraz strzelają z niej elektronami. Zbliżają się do granic fizyki
Autorzy podkreślają, że ich praca ma na razie charakter teoretyczny, ale układ mógłby zostać zrealizowany w laboratoriach zajmujących się fizyką ultrazimnych atomów. Jeśli koncepcja zostanie potwierdzona eksperymentalnie, może stworzyć nową klasę tzw. kryształów czasoprzestrzennych, czyli struktur uporządkowanych jednocześnie we wszystkich wymiarach przestrzeni oraz w czasie. Potencjalne zastosowania takich systemów obejmują badanie nowych stanów skupienia materii, symulowanie złożonych problemów fizyki kwantowej oraz rozwój przyszłych technologii kwantowych. Programowalne materiały oparte na kryształach czasu mogłyby stać się platformą do tworzenia nowych typów urządzeń kwantowych, w których właściwości układu zmienia się nie przez modyfikację jego struktury, lecz przez kontrolę dynamiki w czasie.
Źródło: Physical Review Letters
