Fyzici z Viedne posunuli hranice nášho chápania hmoty aj času. Objavili totiž dva nové typy kvantových časových kryštálov, ktoré sa neformujú v priestore ako diamanty či soľ, ale priamo v čase. Namiesto pravidelných priestorových štruktúr tu atómy vytvárajú stály rytmus oscilácií, ktorý vzniká bez vonkajšieho impulzu.

Čas sa tak môže usporiadať do podoby kryštálovej fázy, čo je jav, ktorý ešte donedávna patril len do sféry teórie. Objav publikovaný v časopise Physical Review Letters tak rozširuje náš pohľad na neekvilibrium v hmote a potvrdzuje, že aj čas môže kryštalizovať. Nie len ako metafora, ale ako reálny dôsledok kvantovej fyziky.

Čas sa dá „zamraziť“ do kryštálov

Tradičný kryštál vzniká, keď sa častice v kvapaline ochladia a usporiadajú do opakujúcej sa mriežky. Symetria tekutiny sa naruší a objaví sa poriadok. Fyzici sa už viac než desať rokov pýtali, či by podobné narušenie symetrie nemohlo nastať aj v čase. Mohol by sa kvantový systém s jednotným priebehom spontánne premeniť na štruktúru, ktorá si vytvorí vlastný rytmus?

Práve túto otázku preskúmal tím Thomasa Pohla na TU Wien a našiel odpoveď. Pomocou detailných modelov odhalili dve nové fázy, ktoré označili ako qCTC-I a qCTC-II. Prvá fáza zodpovedá predchádzajúcim predpovediam, no pretrváva aj pri reálnych kvantových fluktuáciách. Druhá fáza bola nečakaná – objavila sa výhradne vďaka kvantovým koreláciám medzi časticami. Ide o správanie, ktoré nemožno vysvetliť iba priemernými vlastnosťami jednotlivých častíc.

Technická univerzita vo Viedni

Výskumníci študovali Rydbergovské atómové polia, teda sústavy častíc schopných existovať v troch energetických stavoch. Zistili, že práve táto komplexnosť je kľúčová. V jednoduchších systémoch so spinom ½ efekt vôbec nenastal. Navyše zaujímavým zistením bolo, že aj únik energie zo systému (takzvaná disipatívna strata) nebrzdí oscilácie, ale naopak ich stabilizuje.

Pre vznik časového kryštálu je tak nevyhnutné, aby častice mali aspoň tri úrovne stavov. To otvára otázku, či by sa podobné javy mohli objaviť aj v molekulách alebo tuhých materiáloch. Podľa vedcov ide o nový druh kolektívneho správania mnohých častíc, ktoré vzniká len vďaka zvláštnym pravidlám kvantovej mechaniky.

Najdôležitejšie však je, že tieto výsledky nemusia ostať iba na papieri. Parametre použité v modeloch sú dosiahnuteľné už dnes v laboratóriách s Rydbergovskými atómami. Znamená to, že prvé experimentálne potvrdenie qCTC-I a qCTC-II môže prísť už v blízkej budúcnosti. Najmä druhá fáza by mohla byť extrémne stabilná a odolná voči stratám energie, čo by z nej urobilo ideálne prostredie pre nové kvantové technológie.

Časové kryštály by mohli priniesť presnejšie atómové hodiny, nové typy pamäťových zariadení a lepšie metódy prenosu informácií. Navyše poskytujú cenný nástroj na skúmanie entanglementu a disipatívnych javov, ktoré sú základom budúcich kvantových počítačov.

Čítajte viac z kategórie: Novinky