Polsko-niemiecka grupa badaczy po raz pierwszy w historii zdołała stworzyć w temperaturze pokojowej kryształ czasowy i przy pomocy mikroskopu rentgenowskiego nagrać jego oscylację.

Żołnierze na defiladzie

Jak wygląda kryształ wie każdy, kto posolił zupę czy oglądał pierścionek z diamentem. Przyglądając się kryształom soli kuchennej z poziomu budowy atomowej przypominają uporządkowaną, regularną sieć. Każdy ma swoje określone miejsce i bez wyraźnego powodu go nie zmienia. Powiedzmy, że krążymy między atomami diamentu niczym operator rosyjskiej telewizji między żołnierzami defilującymi podczas parady na Placu Czerwonym. Zmieniamy swoją pozycję wraz z kierunkiem, w którym skierowana jest kamera. Obraz w telewizorze się zmienia, ale szyk maszerujących wojaków pozostaje ten sam.


zrzut ekranu z Youtube/Russia Today

Idąc z kamerą przez Plac Czerwony operator telewizji widziałby powtarzającą się sekwencję żołnierzy ustawionych zawsze w tej samej odległości od siebie. Zanim podjechałby czołgi i rakiety, taka relacja z marszu mundurowych byłaby dość nudna. Ciągle to samo, nawet jeżeli pokazywane z różnych kątów. Ta powtarzalność w fizyce nazywa się periodycznością w przestrzeni. 

Struktura kryształu, czy to diamentu czy soli, zawsze pozostanie niezmiennie powtarzalna niezależnie od punktu obserwacji. Będzie też stała w czasie. Gdy spojrzymy na kryształ przez mikroskop, zamkniemy oczy na chwilę, to po ich otwarciu kryształ pozostanie taki sam. Im zimniej, tym atomy są „spokojniejsze”. W dosłownie zamrożonym układzie atomy znajdują się w tzw. stanie podstawowym, czyli mają najniższy możliwy poziom energii. Tu nie ma mowy, by struktura kryształu zmieniła się w czasie.
 

Kryształy w czasie

Dajcie nobliście okazję, to wszystko skomplikuje. W 2012 roku prof. Frank Wilczek doszedł do wniosku, że teoretycznie istnieć może tak nietypowy kryształ, w którym atomy będące nawet w stanie podstawowym tworzyć będą strukturę, że ów kryształ będzie się zmieniać okresowo w czasie. Wilczek tworząc swoją teorię myślał nad pierścieniem utworzonym z cząsteczek. Swego czasu zbliżonej analogii użył w serwisie Crazy Nauka dr Michał Krupiński z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN. Zaproponował, by na taki kryształ czasowy patrzeć jak na dziecięcą karuzelę dla 4 osób.


Jorge Royan/CC A-SA 3.0

W znanej z placów zabaw atrakcji krzesełka niczym atomy są równo oddalone od siebie. Ich układ dla obserwatora z boku zawsze jest taki sam, pozostając trwały w czasie jak kryształ w stanie podstawowym. Gdy jednak zakręcić karuzelą-kryształem, otrzymujemy coś nowego. Choć względem siebie krzesełka cały czas pozostają w tym samym ułożeniu, obserwujący je z boku widzi zmieniające się układy. Zmiana ta jest powtarzalna i obserwator w regularnych odstępach czasu ogląda wracające na chwilę pierwotne ułożenie krzesełek. Kryształ czasowy jest właśnie takim układem periodycznym w czasie i przestrzeni. Jest to też nowy stan skupienia.