Pastaraisiais metais sutapimo raštas, vadinamas moiré, sukėlė tikrą revoliuciją kietojo kūno fizikoje. Pakanka vos keliais laipsniais pasukti dvi reguliarias gardeles vieną kitos atžvilgiu, ir iškart atsiranda naujas, didesnio mastelio raštas. Jis leidžia atskleisti iki tol sunkiai pastebimas medžiagų savybes: netikėtus izoliatorius, stiprias dalelių koreliacijas ar net egzotiškas viršlaidumo (superlaidumo) formas. Vis dėlto klasikinis moiré metodas turi savo kainą: reikia realiai suformuoti daugiasluoksnę sandarą, itin tiksliai nustatyti sluoksnių tarpusavio kampą ir užtikrinti švarą, stabilumą bei geometrijos tikslumą.
Naujas požiūris, kurį siūlo mokslininkų komanda, skamba netikėtai. Užuot sukiojus sluoksnius erdvėje, siūloma „susukti“ laiką. Jų modelyje moiré raštas atsiranda ne dėl dviejų uždėtų kristalų, o dėl periodinių trikdžių, veikiančių itin atšaldytus atomus. Šie atomai įkalinami glotnioje spąstų potencialo „duobėje“, be klasikinio optinės gardelės tinklo. Taip vietoje sudėtingos sluoksnių inžinerijos atsiranda galimybė tiksliai valdyti impulsų sekas ir jų dažnius.
Laiko kristalas – ritmas, kuris nenori išnykti
Laiko kristalai ilgą laiką skambėjo tarsi metafora, kol galiausiai paaiškėjo, kad juos galima realizuoti eksperimentiškai. Įprastame kristale atomai erdvėje išsidėsto periodiškai pasikartojančiu raštu. Laiko kristale periodiškai kartojasi pats judėjimas: sistema demonstruoja periodiškumą laike ir jį palaiko be nuolatinio energijos „pumpavimo“, kuris greitai baigtųsi perkaitimu. Tai prieštarauja intuicijai, kad galiausiai viskas turėtų išsisklaidyti ir nurimti.
Šiame darbe dėmesys sutelkiamas į dvimatį moiré laiko kristalą. Tokia sistema įgyja moiré tipo struktūrą laiko srityje, o dar svarbiau – ši struktūra gali būti „perkelta“ į elgseną laike, erdvėje arba mišrioje laiko–erdvės plotmėje. Kitaip tariant, atsiranda savotiškas reguliatorius, leidžiantis pasirinkti, kur tiksliai pasirodys „koherencijos raštas“: atomų išsidėstyme, jų dinamikos ritme arba abiejuose kartu.
Įsivaizduokime ultrašaltus atomus, laikomus ištisiniuose, glotniuose spąstuose, kuriuose nėra iš anksto primestos gardelės. Mokslininkai siūlo tokią sistemą žadinti kelių dažnių deriniu, parinktu taip, kad šie dažniai rezonansiškai sutaptų su natūraliais atomų virpesiais spąstuose. Tokiomis sąlygomis tam tikrame teoriniame aprašyme judėjimas ima formuoti į gardelę panašią struktūrą, tik ne įprastoje erdvėje, o vadinamojoje Floquet fazinėje erdvėje – periodiškai valdomos dinaminės sistemos aprašyme.
Esminė naujovė tokia: vietoje dviejų medžiagos sluoksnių „sukimo“ erdvėje čia „sukamos“ žadinimo dažnių tarpusavio sąlygos. Tinkamai parinkus rezonansus, atsiranda moiré analogas, o „sukimo kampas“ ir „sluoksnių“ skaičius tampa programiškai valdomais parametrais. Praktikoje tai reiškia, kad dalį reiškinių, kurių klasikiniuose moiré dariniuose ieškoma su mikroskopiniu preciziškumu, čia galima bandyti išgauti tiesiog keičiant impulsų seką.
Regioninis supertakumas: „žemėlapį“ turinti būsena
Tokiuose moiré laiko kristaluose turėtų formuotis regioninės supertakumo būsenos. Supertakumas paprastai siejamas su tekėjimu be klampos, toli siekiančia kvantine koherencija ir elgsena, primenančia „be trinties“ veikiančią medžiagą. Šiame modelyje koherencija ir supertakumo savybės pasiskirsto netolygiai – jos išsidėsto pagal moiré raštą. Priklausomai nuo to, kaip suprojektuotas žadinimas, gali susiformuoti skirtingų savybių sritys, ląstelės ar zonos.
Kvantinių simuliacijų požiūriu tai ypač reikšminga. Jei įmanoma kurti supertakias sritis su programuojama geometrija, priartėjama prie idėjos apie medžiagą „pagal užsakymą“ labai tiesiogine prasme. Tuomet ne tik parenkami fizikiniai parametrai, bet ir tarsi „nubraižoma“ pati koherencijos topologija – be įprasto karkaso, kurį tradiciškai suteikia reali kristalinė gardelė.
Didžiausias laiko kristalų priešas: šilimas ir energijos nutekėjimas
Natūraliai kyla klausimas, kiek ilgai tokia sistema gali išlikti stabili, jei ji nuolat periodiškai veikiama iš išorės. Kada ji tiesiog įkaista ir praranda kvantinę tvarką? Tai reali problema vadinamuosiuose Floquet dariniuose, kai periodinis žadinimas „pumpuoja“ energiją į sistemą ir ardo kvantinę koherenciją.
Mokslininkai teigia, kad moiré laiko kristalo būsena yra koherentiška daugelio Floquet būsenų superpozicija. Dėl destruktyvios interferencijos tarp atskirų komponentų nuslopinama daug sklaidos kanalų, todėl Floquet tipo šilimo procesai reikšmingai sulėtėja. Atskirų būsenų mišiniai įkaista ir dekoheruoja greičiau nei moiré būsena, kuri dėl interferencijos efektų gali išlikti stabili gerokai ilgiau, esant tiems patiems išorinio valdymo parametrams.
Dvimatės moiré medžiagos itin intensyviai tyrinėjamos ir todėl, kad jos suteikia priėjimą prie stipriai koreliuotų fazių nereikalaujant kurti sudėtingų kristalų „nuo nulio“. Sukūrus didesnio mastelio „supergardelę“, elektronai staiga ima elgtis tarsi visai kitoje fizikinėje aplinkoje. Aptariamame darbe panaši intuicija perkeliama į ultrašaltų atomų fiziką.
Idealūs laiko–erdvės kristalai – tikslas horizonte
Autoriai pabrėžia, kad tai tik pirmas žingsnis platesniame projekte. Jie nurodo ketinantys tirti dar egzotiškesnes fazes tokiuose laiko kristaluose, įskaitant topologines ir stipriai koreliuotas būsenas. Taip pat akcentuojama, kad teorinis karkasas gali būti išplėstas į tris erdvės matmenis, o tai atvertų kelią „idealių laiko–erdvės kristalų“ idėjai – sistemoms, pasižyminčioms periodiškumu tiek visomis erdvės kryptimis, tiek laike.
Žinoma, nuo dabartinio modelio iki išsamaus reiškinių supratimo laukia ilgas kelias, kuriam prireiks sudėtingų eksperimentų ir didelio teorinio darbo. Vis dėlto ultrašaltų atomų sistemos šiandien yra vienos tiksliausiai valdomų kvantinių „žaidimų aikštelių“: jų parametrus galima derinti beveik chirurginiu tikslumu.
Todėl, jei „laiko kaip twistronics dimensijos“ idėja kur nors ir turėtų realiai įgyti pavidalą, tikėtina, kad būtent tokiose atomų sistemose, o ne trapioje nanometrinio storio sluoksnių aplinkoje, kur net menkiausia dulkė gali sugadinti visą bandinį.
