Nowe podejście może okazać się jednak nieco zaskakujące. Zespół badaczy proponuje, by… nie skręcać niczego w przestrzeni, tylko “skręcić” czas. W ich modelu moiré nie rodzi się z dwóch nałożonych kryształów, lecz z periodycznych zaburzeń narzucanych ultrazimnym atomom uwięzionym w gładkiej pułapce bez klasycznej siatki optycznej. Zamiast mozolnej inżynierii warstw dostajemy sterowanie sekwencją impulsów i częstotliwości.
Kryształ czasu, czyli rytm, który nie chce umrzeć
Kryształy czasu to jedna z tych koncepcji, które brzmią jak metafora poetycka, dopóki ktoś nie pokaże, że naprawdę da się je zrealizować. W zwykłym krysztale atomy układają się w powtarzalny wzór w przestrzeni. W krysztale czasu powtarza się ruch. Układ wykazuje okresowość w czasie, zachowując ją bez “dopompowywania” energii w sposób, który natychmiast skończyłby się przegrzaniem. To jest złamanie intuicji o tym, że wszystko w końcu się rozmywa i uspokaja.
Tu jednak skupiamy się na dwuwymiarowym moiré krysztale czasu. Układ ma wykazywać moiré-podobną strukturę w domenie czasowej, a co ważniejsze: ta struktura może się mapować na zachowanie w czasie, w przestrzeni albo w hybrydzie czasu i przestrzeni. To trochę jakbyśmy dostali regulator, którym można przestawiać, gdzie dokładnie pojawi się “wzór” koherencji: czy w rozmieszczeniu atomów, czy w rytmie ich dynamiki.
Wyobraźmy sobie ultrazimne atomy zamknięte w gładkiej, ciągłej pułapce, bez narzuconej z góry siatki. Badacze proponują, by taki układ pobudzać wieloma częstotliwościami w sposób dobrany rezonansowo do naturalnego ruchu atomów w pułapce. W efekcie w pewnym opisie te ruchy zaczynają tworzyć strukturę przypominającą kratę, tyle że nie w zwykłej przestrzeni, tylko w tzw. Floquet phase space, czyli przestrzeni opisującej dynamikę układu periodycznie sterowanego.
I tu pojawia się nietypowa część. Zamiast skręcać dwie warstwy materiału, “skręca się” relacje między częstotliwościami pobudzeń. Z odpowiedniego doboru rezonansów wyłania się analog moiré, a kąt skręcenia i liczba warstw stają się parametrami, które można stroić programowo. W praktyce oznacza to, że część rzeczy, na które w klasycznych układach moiré poluje się z pincetą i mikroskopem, tu można próbować uzyskać… zmianą sekwencji impulsów.
Regionalna nadciekłość: superfluid, ale z mapą stref wpływów
W takim moiré krysztale czasu mają się pojawiać regionalne stany nadciekłe. Nadciekłość kojarzymy z przepływem bez lepkości, z koherencją kwantową na duże odległości i z zachowaniem, które wygląda jak brak tarcia w najbardziej niewygodnym dla zdrowego rozsądku momencie. Tu jednak koherencja i “nadciekły charakter” nie rozlewają się jednolicie, tylko układają się zgodnie z moiré-wzorem. Mogą mieć strukturę stref, komórek, obszarów o różnych własnościach, zależnie od tego, jak zaprojektujemy pobudzenie.
To ważne z punktu widzenia symulacji kwantowych. Jeśli da się tworzyć nadciekłe obszary o programowalnej geometrii, to zaczynamy mówić o materii “na zamówienie” w sensie bardzo dosłownym. Nie tylko dobieramy parametry, ale wręcz rysujemy topologię koherencji. I to bez klasycznego rusztowania w postaci rzeczywistej sieci krystalicznej.
Największy przeciwnik kryształów czasu: grzanie i ucieczka energii
Można pomyśleć: „Ok, sterujecie układ periodycznie. A kiedy on się po prostu nagrzeje i wszystko umrze?”. To realny problem w tzw. układach Floqueta, gdzie okresowe wymuszanie może pompować energię i prowadzić do degradacji kwantowej koherencji. Badacze opisują, że moiré stan kryształu czasu jest koherentną superpozycją wielu stanów Floqueta, a destruktywna interferencja pomiędzy składowymi ma tłumić kanały rozpraszania i w efekcie silnie redukować tempo Floquet heating. Stany pojedyncze grzeją się dużo szybciej niż stan moiré, który dzięki interferencji może być znacznie dłużej żywotny dla tych samych parametrów.
Moiré w 2D materiałach rozkręciło się m.in. dlatego, że daje dostęp do zjawisk silnie skorelowanych bez budowania skomplikowanych kryształów od zera. Tworzymy “superkratę” większej skali i nagle elektrony zaczynają zachowywać się jak w zupełnie innym świecie. W tej pracy podobna intuicja została przeniesiona na ultrazimne atomy.
Autorzy nie ukrywają, że traktują to jako początek większego projektu. Wprost padają plany badania bardziej egzotycznych faz w takich kryształach czasu, w tym topologicznych i silnie skorelowanych. Pojawia się od nich również sugestia, że ramy teoretyczne dają się rozszerzyć do trzech wymiarów, co otwiera drogę do idei “idealnych kryształów czasoprzestrzennych”, a więc układów o perfekcyjnej okresowości we wszystkich wymiarach przestrzeni i w czasie.
Oczywiście od obecnego stanu, do pełnego opisania zagadnień jest cała dolina łez i doktoratów. Ale warto zauważyć, że ultrazimne atomy są dziś jednym z najlepszych placów zabaw do takich eksperymentów właśnie dlatego, że parametry można stroić z chirurgiczną precyzją. Jeśli więc gdzieś “czas jako wymiar twistronics” ma dostać ciało, to raczej tam niż w kruchym świecie nanowarstw, gdzie każdy pyłek jest polityką zagraniczną.