Vedci práve dosiahli nový prelom v tajomnej oblasti časových kryštálov.
Časové kryštály sú nový fenomén. Ilustračná fotografia: iStock/Photobank2
Fyzici po prvý raz vytvorili časový kryštál, ktorý možno vidieť voľným okom a má na sebe neónové pruhy. Časové kryštály sú podobné bežným kryštálom v tom, že sú založené na opakujúcich sa štruktúrach atómov, no namiesto toho, aby sa opakovali v troch rozmeroch priestoru, menia sa v čase podľa stanoveného vzorca.
Túto podivnú fázu hmoty ako prvý predpovedal americký fyzik a nositeľ Nobelovej ceny Frank Wilczek v roku 2012, ktorý navrhol, že atómy by sa mohli v priebehu času meniť aj pri najnižšej energii, podobne ako supravodič môže technicky viesť elektrický prúd aj v stave najnižšej energie.
To znamená, že sa – teoreticky – môžu opakovať navždy bez zdroja energie, čo podozrivo pripomína perpetuum mobile. Podľa zákonov termodynamiky sú takéto zariadenia nemožné, čo podľa niektorých robí z časových kryštálov „zakázanú zónu“.
Iní argumentujú, že keďže tieto opakujúce sa kryštály nemožno pripojiť k ničomu, čo by ich mohlo využiť na užitočnú prácu, technicky nie sú strojmi, a preto neporušujú žiadne zákony. O tom, ako by sa kryštál mohol použiť, či už na meranie času, alebo na vykonávanie počítačových operácií, sa stále diskutuje.
Časový kryštál, ktorý vedci vytvorili len nedávno, by mohol predstavovať nové technologické možnosti vrátane nových opatrení proti falšovaniu, generátorov náhodných čísel, dvojrozmerných čiarových kódov a optických zariadení. Nový časový kryštál možno pozorovať pod mikroskopom a za špeciálnych podmienok dokonca aj voľným okom.
Majú veľký potenciál
Časové kryštály sú novým fenoménom. V roku 2012 prišiel s ich konceptom teoretický fyzik a laureát Nobelovej ceny Frank Wilczek, ktorý ich opísal ako útvary, ktorých atómy sa periodicky menia. Niektorí fyzici ich spočiatku odmietli ako koncept porušujúci zákony, ktorý mohol narušiť kľúčové pravidlo termodynamiky. V roku 2016 však tím amerických fyzikov oznámil, že ich skutočne pozoroval v experimente.
Kryštalické materiály ako diamant, kremeň a soľ sú trojrozmerné atómové mriežky zložené z častíc, ktoré sa opakujú v priestore, trochu ako geometrická preliezačka s atómami umiestnenými na križovatkách. Akúkoľvek časť mriežky môžete perfektne preložiť na inú.
Časový kryštál je vzor častíc v časovom rozmere, čo znamená, že časové kryštály sa opakujú nielen v priestore, ale aj v čase. Ich častice oscilujú s časovaním, ktoré sa opakuje takým spôsobom, že sa tiež dá preložiť. Oscilácia narúša časovú symetriu a funguje tak, ako keby sa vzpierala akýmkoľvek rytmom v ich prostredí.
Potenciál časových kryštálov – ako pre výskum kvantového správania, tak aj pre technologické aplikácie – je veľmi zaujímavý. Preto vedci radi skúmajú ich vlastnosti a snažia sa zistiť, čo ich poháňa.
Fyzik Hanqing Zhao spolu s kolegom fyzikom Ivanom Smalyukhom z Coloradskej univerzity v Boulderi vytvorili nový časový kryštál z tekutých kryštálov. Je to rovnaký materiál, aký sa nachádza v LCD displejoch. Skladajú sa z tyčinkovitých molekúl, ktoré sa správajú trochu ako tekutina a trochu ako kryštál.
Farebné vzory, ktoré sa vlnia
Výskumníci vložili tekutý kryštál medzi sklenené platne potiahnuté fotocitlivým farbivom. Keď na vzorku zažiarili určitým typom svetla, molekuly farbiva sa polarizovali alebo zmenili svoju orientáciu, čím vyvíjali tlak na tekutý kryštál.
Tento tlak vytvoril v tekutom kryštáli záhyby, ktoré na seba vzájomne pôsobili v zložitej sérii krokov a vytvárali pohyblivý vzor, ktorý sa opakoval celé hodiny aj za meniacich sa podmienok osvetlenia a teploty. Tieto vzory pripomínali vlniacu sa sériu farebných pruhov.
Hoci výsledky štúdie spĺňajú prísne požiadavky na klasifikáciu časového kryštálu, vedci tvrdia, že ešte stále musia hlbšie preskúmať vlastnosti časových kryštálov v rôznych systémoch. „Potenciálne technologické využitie v optických zariadeniach, vo fotonických generátoroch časopriestorových kryštálov, v telekomunikáciách a dizajnoch na ochranu proti falšovaniu môže signalizovať začiatok vzrušujúcej éry časových a časopriestorových kryštálov, kde pokrok v základnom výskume môže viesť k technologickému využitiu,“ dodávajú autori štúdie.
Zdroje: MIT Technology Review, APS
