Vědci vytvořili samoudržitelný „časový krystal“
Fyzikové vytvořili viditelný, samoudržitelný „časový krystal“ pomocí vířivých tekutých krystalů, které se pohybují v nekonečně se opakujících vzorech, pokud jsou osvětleny. Představte si hodiny, které běží navždy bez baterií nebo drátů, jejich ručičky se otáčejí samy od sebe bez zastavení.
V nedávné studii fyzikové z Univerzity v Colorado Boulder použili tekuté krystaly, které jsou stejné materiály jako ty, jež se nacházejí v displejích mobilních telefonů, k vytvoření něčeho, co odráží tuto myšlenku. Jejich práce vedla k novému typu toho, co je známé jako „časový krystal,“ fáze hmoty, ve které komponenty jako atomy nebo částice zůstávají v nepřetržitém pohybu.
Ačkoliv byly časové krystaly vytvořeny již dříve, tato verze je první, kterou lze pozorovat přímo, což by mohlo otevřít cestu k praktickému využití. „Lze je pozorovat přímo pod mikroskopem a dokonce, za zvláštních podmínek, i pouhým okem,“ řekl Hanqing Zhao, hlavní autor studie a student magisterského programu na katedře fyziky CU Boulder.
Zhao a Ivan Smalyukh, profesor fyziky a člen Institutu obnovitelné a udržitelné energie (RASEI), nedávno zveřejnili své poznatky v prestižním časopise.
Pro svůj experiment tým připravil skleněné buňky naplněné tekutými krystaly z molekul ve tvaru tyčinek, které se chovají částečně jako pevné látky a částečně jako kapaliny. Když jsou osvětleny za specifických podmínek, tyto molekuly začnou posouvat a vířit a vytvářejí pohyby, které se opakují v sekvencích.
Při pohledu skrze mikroskop vzorky vykazují vzory, které vypadají jako barevné, nepravidelné pruhy, a tyto pohyby mohou trvat hodiny, což připomíná myšlenku nekonečně se točících hodin. „Všechno vzniká z ničeho,“ říká Smalyukh. „Jednoduše osvětlujete, a před vámi se otevírá celý svět časových krystalů.“
Zhao a Smalyukh jsou členy koloradského satelitu Mezinárodního institutu pro udržitelnost s uzlovými chirálními meta-materiály (WPI-SKCM2) se sídlem na Hirošimské univerzitě v Japonsku, mezinárodního institutu, jehož úkolem je vytvářet umělé formy hmoty a přispět k trvalé udržitelnosti.
Krystaly ve prostoru a čase
Časové krystaly mohou znít jako něco z vědeckofantastického příběhu, ale jejich inspirací jsou krystaly, které se vyskytují v přírodě, jako jsou diamants nebo kuchyňská sůl. Nobelový laureát Frank Wilczek poprvé navrhl myšlenku časových krystalů v roce 2012. můžete si představit tradiční krystaly jako „prostorové krystaly.“ Uhlíkové atomy, které tvoří diamant, například vytvářejí mřížkový vzor v prostoru, který je velmi těžké rozbít. Wilczek se ptal, zda by bylo možné vytvořit krystal, který by byl stejně organizovaný, ale v čase, nikoli ve prostoru. I v klidovém stavu by atomy v takovém stavu nevytvářely mřížkový vzor, ale pohybovaly by se nebo transformovaly v nekonečném cyklu – jako GIF, který se opakuje navždy.
Wilczekův původní koncept se ukázal jako nemožný vytvořit, ale vědci od té doby vytvorili fáze hmoty, které se mu celkem blíží. V roce 2021, například, fyzikové použili kvantový počítač Sycamore od Googlu k vytvoření speciální sítě atomů. Když tým těmto atomům zaslal paprsek laseru, procházely výkyvy, které se mnohokrát opakovaly.
Tančící krystaly
Ve studii Zhao a Smalyukh se snažili zjistit, zda by mohli dosáhnout podobného úspěchu s tekutými krystaly. Smalyukh vysvětlil, že pokud na tyto molekuly zatlačíte správným způsobem, shromáždí se tak těsně, že vytvoří kroucení. Remarkabilně se tato kroucení pohybují a dokonce mohou, za určitých podmínek, chovat jako atomy. „Máte zde tyto zvraty, a nemůžete je snadno odstranit,“ říká Smalyukh. „Chovají se jako částice a začnou interagovat navzájem.“
V aktuální studii Smalyukh a Zhao zabalili roztok tekutých krystalů mezi dvě skleněné pláty potažené molekulami barviva. Tyto vzorky samy o sobě většinou stály v klidu. Ale když na ně skupina poslala určitý typ světla, molekuly barviv změnily svou orientaci a stlačily tekuté krystaly. V procesu náhle vznikly tisíce nových kroucení.
Tato kroucení také začala interagovat navzájem následovně nesmírně složitou sérií kroků. Představte si místnost plnou tanečníků z románu Jane Austenové. Pary se rozcházejí, točí se po místnosti, znovu se scházejí a znovu začínají. Vzory v čase byly také neobvykle těžké rozbít – výzkumníci mohli zvyšovat nebo snižovat teplotu svých vzorků, aniž by narušili pohyb tekutých krystalů.
„To je krása tohoto časového krystalu,“ říká Smalyukh. „Jednoduše vytvoříte podmínky, které nejsou nijak zvláštní. Osvětlujete, a to celé se odehrává.“
Zhao a Smalyukh tvrdí, že takové časové krystaly by mohly mít několik využití. Vlády by mohly například tyto materiály přidat do bankovek, aby je bylo těžší padělat – pokud chcete vědět, zda je ta bankovka na 100 dolarů pravá, stačí na „časové vodotisk“ posvítit a sledovat vzor, který se objeví. Díky stackování několika různých časových krystalů může skupina vytvářet ještě složitější vzory, které by potenciálně mohli umožnit inženýrům ukládat obrovské množství digitálních dat.
„Nechceme nyní omezovat aplikace,“ říká Smalyukh. „Myslím, že existují příležitosti, jak tuto technologii posunout různými směry.“
