Prof. Krzysztof Sacha: dzięki kryształom czasowym powstaje czasotronika

Prof. Krzysztof Sacha jest profesorem na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego. Znany jest m.in. z prac nad kondensatem Bosego-Einsteina, solitonami i różnymi dynamicznymi fazami materii. Należy do pionierów zajmujących się kryształami czasowymi. Publikację Nature Communications można znaleźć tutaj.

PAP: Nazwa kryształy czasowe może się niektórym kojarzyć bardziej z ezoteryką, niż z nauką. Co to takiego?

K.S.: Wokół nas widzimy zwykłe kryształy - przestrzenne, czy to diamenty u jubilera, czy ziarenka soli w solniczce. Wszystkie one są tak zbudowane, że składają się z atomów ułożonych w regularne, powtarzające się w przestrzeni wzory. Powstają one spontanicznie w wyniku oddziaływań między tymi atomami. W 2012 roku laureat Nagrody Nobla Frank Wilczek zapytał, czy w podobny sposób układ wielu cząstek może spontanicznie wprowadzić się w powtarzalny w czasie ruch. To tak, jakbyśmy zamienili miejscami przestrzeń i czas. Na zwykły kryształ patrzymy w wybranym momencie i widzimy regularną strukturę w przestrzeni. W krysztale czasowym natomiast nie interesuje nas tak bardzo układ przestrzenny - może on wyglądać bardzo różnie, ale patrzymy na regularność jego ruchu w czasie.

PAP: Miejski autobus też wykonuje periodyczny ruch - nieustannie wraca do tych samych przystanków, a jednak nie jest kryształem czasowym.

K.S.: Nie jest nim też na przykład wahadło. Rzecz w tym, aby układ składał się z wielu elementów, które wzajemnie tak ze sobą oddziałują, że ruch układu spontanicznie staje się powtarzalny. Kluczowa jest właśnie ta samoorganizacja.

PAP: Zwykłe kryształy chyba łatwiej zrozumieć...

K.S.: W zasadzie to jest proste, choć nawet jak rozmawiam z doświadczonymi fizykami, to często trudno jest im od razu zrozumieć ideę kryształów czasowych. Sam, gdy pierwszy raz się z nią spotkałem, nie wiedziałem, o co w niej chodzi. Potrzeba trochę na czasu, aby przyzwyczaić się do nowego spojrzenia.

PAP: Kiedy Pan się zainteresował tą dziedziną?

K.S.: Pomysł na kryształ zaproponowany przez prof. Franka Wilczka w 2012 roku zakładał, że kwantowy układ wielu ciał jest w stanie wprawić się w ruch okresowy nawet jeśli jego energia jest minimalna, co okazało się błędne. Frank Wilczek zadał jednak genialne pytanie, czy można szukać kryształów czasowych. O pomyśle Wilczka dowiedziałem się w 2012 roku dzięki prof. Jakubowi Zakrzewskiemu, który został poproszony przez czasopismo Physical Review Letters o napisanie komentarza do artykułu Wilczka. Niedługo potem okazało się, że idea Wilczka jest błędna, a do mnie dotarło, że kryształy czasowe mogą powstawać w układach, które zaburzane są okresowo zmieniającą się siłą i tak zrodziły się tzw. dyskretne kryształy czasowe. Kolejne grupy badawcze zaczęły potem badać i tworzyć pierwsze dyskretne kryształy czasowe i tak rozpędziła się nowa dziedzina.

PAP: Pana zespół dokonał jednak dużego i to podwójnego przełomu...

K.S.: Pierwsza sprawa to temperatura. Dotychczasowe kryształy czasowe wymagały użycia niskich temperatur, a nawet temperatury niemal zera bezwzględnego. Jak można sobie wyobrazić, wymaga to zaawansowanego laboratorium. Nie można więc mówić o jakichkolwiek praktycznych zastosowaniach takich systemów. Naszej grupie udało się natomiast stworzyć kryształ działający w temperaturze pokojowej. Zajmujemy się rodzajem kryształów czasowych zwanych dyskretnymi. Ich tworzenie polega m.in. na tym, że ruch jest wzbudzany zewnętrzną siłą, w naszym przypadku – promieniowaniem pochodzącym z dwóch laserów. Nasze lasery nie muszą być przy tym ultra-precyzyjne, ani duże, a sam kryształ powstaje we wnęce optycznej.

PAP: A drugi sukces?

K.S.: Do tej pory udawało się uzyskać kryształy, które były małymi kryształami w wymiarze czasowym - miały okres dwa razy dłuższy niż okres działania wzbudzającej siły, np. wspomnianych laserów. To tak jakby zwykły kryształ przestrzenny złożony był tylko z dwóch atomów. Nam udało się stworzyć kryształ o dużo dłuższym okresie, niż okres siły wymuszającej. W takim układzie możemy już prowadzić eksperymenty z fizyki ciała stałego, a to może prowadzić do praktycznych zastosowań.

PAP: Do wykorzystania za moment wrócimy. Proszę jeszcze powiedzieć, jak udało się Państwu dokonać tych przełomów?

K.S.: Pierwsze kryształy tworzone były w łańcuchach jonów, albo tzw. centrach azotowych w diamentach. My wykorzystaliśmy zupełnie inne podejście. Wykorzystaliśmy zwykły kryształ z fluorku magnezu w kształcie dysku o rozmiarach ok. 1 mm. To właśnie wspomniana wcześniej wnęka optyczna. Wpuściliśmy do niej fotony z dwóch laserów. Kryształ czasowy tworzą same fotony. We wnęce, z powodu nieliniowych procesów, fotony samoorganizują się w regularne impulsy światła pojawiające się z okresem innym niż okres dyktowany przez wiązki laserowe.

PAP: Powiedział Pan o praktycznych rozwiązaniach. Co może powstać dzięki takim kryształom? Powstało nawet niezwykle brzmiące pojęcie „czasotronika”. Na czym ona polega?

K.S.: Kiedy zaczęliśmy w Krakowie prowadzić badania nad fizyką ciała stałego w wymiarze czasowym, dosyć szybko okazało się, że można w ten sposób odtworzyć wiele zjawisk, które znamy z tradycyjnej fizyki ciała stałego. Stworzyliśmy więc pojęcie „czasotronika”. Tak jak elektronika polega na praktycznym wykorzystaniu ruchu elektronów, spintronika - na wykorzystaniu elektronowego spinu, atomtronika - manipulacji atomami, tak czasotronika polega na praktycznych zastosowaniach kryształów czasowych. Można, jak się okazuje, budować z nich takie elementy, jak izolatory, przewodniki, nadprzewodniki. Badania zmierzają więc w tym kierunku, a my jesteśmy ich prekursorami.

PAP: Patrząc z praktycznego punktu widzenia, co więc na przykład będzie można stworzyć - lepsze komputery?

K.S.: Z przestrzennych kryształów możemy tworzyć diody, tranzystory i inne układy. Jeśli chodzi o kryształy czasowe, to dopiero otwierają się nowe horyzonty. Być może da się zrealizować eksperymentalnie czasowy odpowiednik tranzystora, a jak takich tranzystorów będzie więcej to może da się z nich zbudować użyteczne urządzenia. Wiemy już, że można łączyć przestrzenne struktury krystaliczne z kryształami czasowymi i tworzyć nawet sześciowymiarowe struktury krystaliczne. Powstają nowe możliwości niedostępne wcześniej, a w ślad za nimi podążą nowe pomysły ich praktycznego wykorzystania.

PAP: Czym by to mogło zaowocować?

K.S.: To teraz już spekulując, być może procesor komputera działałby dużo sprawniej jeśli część operacji można by było wykonać w strukturze krystalicznej w czasie.

PAP: A komputery kwantowe?

K.S.: Trudno w tej chwili na to pytanie odpowiedzieć, ale jest pewna możliwość także i w tej dziedzinie. Otóż okazuje się, że kryształy czasowe to kwantowe układy wielu ciał, które zaskakująco dobrze opierają się termalizacji. W typowej sytuacji okresowo napędzany układ wielu ciał szybko zaczyna zachowywać się jak obiekt podgrzany do wysokiej temperatury. Kryształy czasowe bardzo długo wykazują spójną kwantową ewolucję, a taka własność jest podstawą działania komputerów kwantowych. Pamiętajmy jednak, że kryształ czasowy jest bardzo świeżym pomysłem w fizyce, ale pomysłem atrakcyjnym bo przyciąga nowych badaczy.

PAP: Jakie Państwo mają dalsze plany?

K.S.: Współpracujemy z grupą badawczą prof. Petera Hannaforda z Melbourne, która tworzy kryształy czasowe w ultrazimnych gazach atomowych. Zespół ten planuje eksperymentalnie przetestować nowe teoretyczne pomysły naszego autorstwa. Dotyczą one właśnie odtwarzania zjawisk fizyki ciała stałego w czasie i tego, jak można by zbudować praktyczne, czasowe urządzenia, na przykład wspomniane tranzystory.

PAP: Czy inne polskie zespoły też zajmują się tą dziedziną?

K.S.: Wiem, że na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza w Poznaniu prowadzone są badania eksperymentalne związane z kryształami czasowymi. Pojawiają się też pojedyncze publikacje z innych ośrodków. To dobry znak, bo ważne jest, aby w tych badaniach także w Polsce rozwinęła się silna konkurencja. To zawsze pomaga.

Źródło informacji: Nauka w Polsce