Fiziki v Koloradu ustvarili prvi časovni kristal, viden s prostim očesom (video)

2 days ago 27

ARTICLE AD

Fiziki z Univerze v Koloradu v Boulderju so uspeli izdelati posebno obliko časovnega kristala, ki ga je prvič mogoče opazovati neposredno pod mikroskopom, v določenih okoliščinah pa celo s prostim očesom. Gre za pomemben napredek na področju raziskav novih faz snovi, ki bi lahko prinesel tudi tehnološke aplikacije. Študija je bila 4. septembra objavljena v reviji Nature Materials.

Časovni kristali so nenavadna faza snovi, v kateri delci, kot so atomi ali molekule, obstajajo v stalnem gibanju in tvorijo vzorce, ki se ponavljajo v času. Koncept je leta 2012 prvi opisal Nobelov nagrajenec Frank Wilczek, ki je razmišljal o strukturi, podobni kristalom v prostoru, a razporejeni v času. Čeprav je bil njegov prvotni teoretični model neizvedljiv, so kasnejši poskusi pokazali, da je mogoče ustvariti sisteme, ki se temu stanju približajo.

V novi raziskavi so Hanqing Zhao, podiplomski študent na Oddelku za fiziko, in profesor Ivan Smalyukh uporabila tekoče kristale, znane iz zaslonov pametnih telefonov, in jih vstavila v posebne steklene celice. Ko so vzorce osvetlili z določeno vrsto svetlobe, so se molekule barvila v steklenih celicah zasukale in sprožile gibanje tekočih kristalov. Pod mikroskopom so se pojavili barviti, ciklični vzorci, ki so se premikali ure in ure brez zunanjega napajanja.

Izjava dneva, 9. 9. 2025 (video)

“Opazovati jih je mogoče neposredno pod mikroskopom in celo, pod posebnimi pogoji, s prostim očesom,” je pojasnil Zhao. Njegov mentor Smalyukh je dodal: “Vse se rodi iz nič. Posvetiš s svetlobo in pojavi se ves ta svet časovnih kristalov.”

Raziskovalca sta člana koloradskega satelita Mednarodnega inštituta za trajnost z vozlano kiralno metasnovjo (WPI-SKCM2) s sedežem na Univerzi v Hirošimi, ki spodbuja razvoj novih materialov z vidika trajnosti.

Izjava dneva, 9. 9. 2025 (video)

Od kvantnih sistemov do tekočih kristalov

Prve potrjene časovne kristale so znanstveniki leta 2021 ustvarili na Googlovem kvantnem računalniku Sycamore, kjer so atomi v laserskem polju začeli nihati v periodičnem vzorcu. Nov dosežek na Univerzi v Koloradu pa se razlikuje v tem, da uporablja tekoče kristale, ki jih lahko opazujemo neposredno, brez kvantnih naprav.

Tekoči kristali se obnašajo hibridno – deloma kot trdna snov, deloma kot tekočina. Če jih ustrezno stisnemo, se v njih oblikujejo topološki pregibi, ki se vedejo kot delci in lahko medsebojno delujejo. Ko jih dodatno osvetlimo, nastanejo zapleteni cikli gibanja, ki spominjajo na plesne figure: “Pari delcev se ločujejo, spet združujejo in znova ponavljajo iste korake,” je slikovito opisal Smalyukh.

Po navedbah raziskovalcev bi lahko imeli takšni vidni časovni kristali pomembno uporabno vrednost. Ena izmed možnosti je zaščita pred ponarejanjem: bankovci ali uradni dokumenti bi lahko vsebovali material, ki ob osvetlitvi razkrije značilen časovni vzorec, podoben vodnemu žigu.

Poleg tega bi se časovni kristali lahko uporabljali tudi v shranjevanju digitalnih podatkov. Zlaganje več različnih vzorcev bi omogočilo ustvarjanje kompleksnih struktur, ki bi lahko delovale kot nosilci informacij z visoko zmogljivostjo. “Trenutno ne želimo omejiti uporabe. Možnosti za razvoj te tehnologije v različnih smereh je veliko,” je poudaril Smalyukh.

Izjava dneva, 9. 9. 2025 (video)

Znanstveni pomen

Nova odkritja so pomembna tudi za razumevanje osnovne fizike. Časovni kristali združujejo značilnosti prostorskih kristalov in periodičnih procesov v času, s čimer odpirajo povsem nova raziskovalna področja. Njihova stabilnost preseneča: gibanje tekočih kristalov se ni ustavilo niti ob spremembah temperature, kar kaže na robustnost teh struktur.

“To je lepota tega časovnega kristala,” je dejal Smalyukh. “Ustvariš le nekaj pogojev, ki niso tako posebni, posvetiš z lučjo in vse se zgodi.”

Študija, ki sta jo pripravila Zhao in Smalyukh s sodelavci, nosi naslov Prostorsko-časovni kristali iz delcem podobnih topoloških solitonov in je dostopna v reviji Nature Materials. Avtorji poudarjajo, da gre za prvi primer časovnega kristala, ki ga lahko ljudje neposredno opazujejo.

Čeprav je pot do praktičnih aplikacij še dolga, nova dognanja nakazujejo, da bi časovni kristali lahko postali pomemben gradnik prihodnjih tehnologij. Hkrati pa raziskave, ki jih izvajajo v okviru mednarodnih inštitutov, dokazujejo, da lahko kombinacija teoretičnih idej, eksperimentalnih tehnik in interdisciplinarnega sodelovanja pripelje do prebojev, ki so bili pred desetletjem še povsem v domeni znanstvene fantastike.

Izjava dneva, 9. 9. 2025 (video)