Pastaraisiais metais sutapimo raštas – moiré – sukėlė tikrą revoliuciją kietojo kūno fizikoje. Pakanka vos keliais laipsniais „prasukti“ dvi reguliarias gardeles, ir staiga atsiranda naujas, didesnio mastelio raštas, leidžiantis atskleisti iki tol neakivaizdžias medžiagų savybes: keistus izoliatorius, stiprias koreliacijas tarp dalelių, net egzotiškas viršlaidumo (superlaidumo) formas. Tačiau klasikinis moiré turi savo kainą – reikia realiai suformuoti sluoksniais sudarytą sandarą, labai tiksliai nustatyti jų tarpusavio kampą, išlaikyti švarą, stabilumą ir geometriją.
Naujasis požiūris, kurį siūlo mokslininkų komanda, yra gerokai netikėtas. Užuot „sukinėjus“ sluoksnius erdvėje, jie pasiūlė… „susukti“ laiką. Jų modelyje moiré raštas atsiranda ne iš dviejų uždėtų kristalų, o iš periodinių trikdžių, veikiančių itin atšaldytus atomus, įkalintus lygioje spąstų potencialo „duobėje“ be klasikinio optinio gardelės tinklo. Vietoje sudėtingos sluoksnių inžinerijos gauname galimybę valdyti impulsų sekas ir dažnius.
Laiko kristalas – ritmas, kuris nenori išnykti
Laiko kristalai ilgą laiką skambėjo tarsi metafora, kol galiausiai buvo parodyta, kad juos įmanoma realizuoti eksperimentiškai. Įprastame kristale atomai erdvėje išsidėsto periodiškai pasikartojančiu raštu. Laiko kristale periodiškai kartojasi pats judėjimas. Sistema demonstruoja periodiškumą laike, išlaikydama jį be nuolatinio energijos „dopumpavimo“, kuris greitai baigtųsi perkaitimu. Tai prieštarauja mūsų intuicijai, kad galiausiai viskas išsisklaido ir nurimsta.
Šiame darbe dėmesys sutelkiamas į dvimatį moiré laiko kristalą. Tokia sistema turėtų įgyti moiré tipo struktūrą laiko srityje, o dar svarbiau – ši struktūra gali būti „peržemėlapinta“ į elgseną laike, erdvėje arba mišrioje laiko–erdvės erdvėje. Tai panašu į reguliatorių, leidžiantį nustatyti, kur tiksliai atsiras „koherencijos raštas“: ar atomų išsidėstyme, ar jų dinamikos ritme.
Įsivaizduokime ultralaukius (ultrašaltus) atomus, uždarytus glotniuose, ištisiniuose spąstuose be iš anksto primestos gardelės. Mokslininkai siūlo tokį darinį žadinti kelių dažnių deriniu, parinktu taip, kad jie rezonansu atitiktų natūralius atomų virpesius spąstuose. Tokiu atveju tam tikrame aprašyme šie judesiai ima formuoti gardelę primenančią struktūrą, tik ne įprastoje erdvėje, o vadinamojoje Floquet fazinėje erdvėje – tai yra periodiškai valdytos dinaminės sistemos aprašyme.
Esminė naujovė čia tokia: vietoje dviejų medžiagų sluoksnių „sukimo“ erdvėje „sukamos“ tarpusavio ryšio tarp žadinimo dažnių 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 pincetu ir mikroskopu, čia galima bandyti išgauti tiesiog keičiant impulsų seką.
Regioninė nadciekio būsena: supertrupdis, turintis savo „žemėlapį“
Tokiuose moiré laiko kristaluose turėtų susidaryti regioninės nadciekios (superfluido) būsenos. Nadciekumas paprastai siejamas su srautu be klampos, su toli nusitęsiančia kvantine koherencija ir elgsena, primenančia „be trinties“ veikiančią medžiagą, nors sveikam protui tai atrodo neįmanoma. Šiame modelyje koherencija ir nadciekiosios savybės nėra tolygiai pasiskirsčiusios – jos išsidėsto pagal moiré raštą. Gali susiformuoti skirtingų savybių sritys, ląstelės, zonos, priklausomai nuo to, kaip suprojektuotas žadinimas.
Iš kvantinių simuliacijų perspektyvos tai ypač svarbu. Jei įmanoma kurti nadciekias sritis su programuojama geometrija, pradedame kalbėti apie medžiagą „pagal užsakymą“ labai tiesiogine prasme. Ne tik parenkame fizinius parametrus, bet ir nupiešiame pačios koherencijos topologiją. Ir visa tai – be įprasto karkaso, kurį sudaro reali kristalinė gardelė.
Didžiausias laiko kristalų priešas: šilimas ir energijos nutekėjimas
Natūraliai kyla klausimas: kiek ilgai tokia sistema gali išlikti, jei ją nuolat periodiškai veikiame iš išorės? Kada ji tiesiog įkaista ir „subyra“? Tai reali problema vadinamuosiuose Floquet dariniuose, kai periodinis žadinimas pompuoja energiją į sistemą ir griauna kvantinę koherenciją.
Mokslininkai teigia, kad moiré laiko kristalo būsena yra koherentiška daugelio Floquet būsenų superpozicija. Dėl destruktyvios interferencijos tarp atskirų komponentų nuslopinami daugybė sklaidos kanalų, todėl Floquet tipo šilimo procesai gerokai sulėtėja. Atskirų būsenų mišiniai įkaista ir dekoheruoja gerokai greičiau nei moiré būsena, kuri, dėl interferencijos efektų, gali išlikti stabili gerokai ilgiau, esant tiems patiems išorinio valdymo parametrams.
2D moiré medžiagos buvo taip intensyviai tyrinėjamos ir dėl to, kad jose atsiveria prieiga prie stipriai koreliuotų fazių, nereikalaujant kurti itin sudėtingų kristalų „nuo nulio“. Sukuriame „supergardelę“ didesniu masteliu ir staiga elektronai ima elgtis tartum visai kitame pasaulyje. Aptariamame darbe panaši intuicija perkelta į ultralaukių atomų fiziką.
Idealūs laiko–erdvės kristalai – tikslas horizonte
Autoriai neslepia, kad tai – tik pirmasis žingsnis platesnio masto projekte. Jie aiškiai nurodo ketinantys tirti dar egzotiškesnes fazes tokiuose laiko kristaluose, įskaitant topologines ir stipriai koreliuotas būsenas. Taip pat pabrėžiama, kad teorinis karkasas gali būti išplėstas į tris erdvės matmenis, kas atvertų kelią prie „idealių laiko–erdvės kristalų“ idėjos – sistemų, pasižyminčių tobula periodiškumu tiek visomis erdvės kryptimis, tiek laike.
Žinoma, nuo dabartinio modelio iki pilno visų reiškinių supratimo laukia ilgas kelias, nusėtas doktorantūromis ir sudėtingais eksperimentais. Vis dėlto verta atkreipti dėmesį, kad ultralaukių atomų sistemos šiuo metu yra vienos tiksliausiai valdomų kvantinių „žaidimų aikštelių“. Čia parametrus galima derinti beveik chirurginiu tikslumu.
Todėl, jei kur nors ir turėtų materializuotis „laiko kaip twistronics dimensijos“ idėja, tai greičiausiai būtent tokiose atomų sistemose, o ne trapioje nanometrų storio sluoksnių aplinkoje, kur kiekvienas dulkelės grūdelis gali sugadinti visą bandinį.
