Diamenty, ale i pospolite kryształy soli mają piękną, regularną strukturę, ponieważ ich atomy same układają się w sposób uporządkowany w przestrzeni. Kryształy czasowe to koncepcja naukowa, w której atomy lub jony same regularnie organizują się w czasie, czyli poruszają się cyklicznie. Prof. Krzysztof Sacha opracował metodę „ping-ponga”, dzięki której taki kryształ czasowy funkcjonuje.

Do podobnych sukcesów, choć zupełnie inną drogą, doszły tylko dwa zespoły badawcze na świecie. Dlatego Kraków będzie gospodarzem elitarnego zjazdu naukowców, w tym noblistów, badających kryształy czasowe. Prof. Krzysztof Sacha z Uniwersytetu Jagiellońskiego opowiada, jak zaczęła się jego droga do stworzenia podwalin pod zupełnie nową dziedzinę fizyki. A startował od… stypendium START Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Czy wsparcie na początku drogi naukowej ma znaczenie dla późniejszych odkryć?

Dla mnie to był kluczowy moment, bo ustawił moją karierę na takich torach, że już tylko ode mnie zależało, czy wykorzystam swoją szansę. Owszem, marzyłem o odkryciach, jak każde dziecko. Ale zaczynałem studia z myślą, że będę nauczycielem, jak moja mama. Kiedy otrzymałem stypendium START, bez wątpienia szalenie mi to pomogło w uzyskaniu stałej pozycji na Uniwersytecie Jagiellońskim. O kwestiach finansowych nie pamiętam już tak bardzo. Choć jak każdy młody człowiek, który zakłada rodzinę, nie miałem łatwo i na pewno takie wsparcie było ważne. Natomiast pomoc w mojej karierze naukowej była szalenie istotna. Wtedy, żeby otrzymać zatrudnienie, trzeba było wygrać konkurs z wieloma znakomitymi osobami. Stypendium FNP było dodatkowym argumentem, żeby uczelnia zainwestowała właśnie w nas. Myślę, że uznanie FNP dla moich badań pomogło mi też w uzyskaniu stażu podoktorskiego w ramach fundacji Aleksandra von Humboldta oraz kiedy aplikowałem o stypendium Fulbrighta. To był pierwszy klocek, fundament tej układanki.

Kryształy czasowe wówczas jeszcze nie istniały nawet jako koncepcja. Od czego się zaczęło?

Na początku zajmowałem się chaosem klasycznym i kwantowym. W układach, które wtedy badałem, zobaczyłem później możliwość realizacji tego, co nazywamy kryształami czasowymi. To zamyka dla mnie pętlę czasu i udowadnia, że badania z doktoratu są dla naukowca najważniejsze. Promotorem mojej pracy był prof. Jakub Zakrzewski. Do dziś pracujemy w tym samym zakładzie naukowym. W nauce oprócz pracy i zdolności potrzebny jest łut szczęścia. Miałem je, bo kiedy noblista Frank Wilczek wpadł na pomysł kryształu czasowego, prof. Zakrzewski został zaproszony do napisania opinii na temat tego odkrycia. Przyszedł wówczas do mnie, bo obaj nie mieliśmy pojęcia, czym jest ta idea. O kryształach czasowych dowiedziałem się zatem na samym początku, kiedy praca Wilczka była dopiero publikowana.

Przychodzi fizyk do fizyka – słuchaj, o co tu w ogóle chodzi? Skoro to trudne nawet dla ekspertów, czy potrafi Pan wyjaśnić przeciętnemu człowiekowi, czym są kryształy czasowe?

Tak, bo obok pracy naukowej spełniam swoje marzenie o dydaktyce. Realizuję się jako nauczyciel akademicki, a kontakt z młodymi ludźmi niezwykle mobilizuje do pracy nad sobą. Skomplikowane sprawy warto przedstawiać tak, żeby rozmówca wiedział, o czym mówimy. Dlatego zastosujemy analogię do ping-ponga. Ale musimy zacząć od samego pomysłu. Naukowiec polskiego pochodzenia, Frank Wilczek zadał genialne pytanie. Otóż, skoro kryształy przestrzenne znamy od lat, to czy można robić kryształy w czasie? To znaczy – czy możemy uzyskać taki stan, w którym cząstki będą same organizowały swój ruch w sposób regularny w czasie. Przy tym, jak w kryształach przestrzennych – czy jest to możliwe, skoro będą one w stanie najniższej energii. Prof. Wilczek zaproponował, żeby umieścić cząstki, które się przyciągają, na okręgu i poddać je działaniu pola magnetycznego. Spodziewał się, że będziemy mieli ruch i to w stanie o najniższej energii. Ale to, co działało dla pojedynczej cząstki, nie działało w tłumie cząstek. Kiedy rośnie liczba cząstek, to ta całość zaczyna coraz bardziej zwalniać, aż w końcu cała struktura zatrzymuje się, nie ma żadnego ruchu. Model takich struktur okazał się niemożliwy do zrealizowania. Ale tak jest zawsze z odkryciami, że szukamy po omacku.

Po co odpowiadać na takie genialne pytania, skoro rozważania prowadzą do wniosku: „nie da się”?

Bo powstają dzięki temu zupełnie nowe koncepcje, które po zmodyfikowaniu pierwotnej idei stają się możliwe do realizacji. I dają nieograniczone pole do popisu nie tylko dla uczonych, ale i dla zastosowań. Wiadomo, że kryształy przestrzenne potrafimy kontrolować, wytwarzać i wykorzystywać powszechnie – od elektroniki po kuchnię. Struktura krystaliczna w dodatkowym wymiarze – czasie – być może pozwoli nam kiedyś stworzyć czasoprzestrzenną elektronikę o dużo większych możliwościach niż to, co daje nam przestrzenna. Jest to niezwykle inspirujący kierunek badań. Mamy struktury w nowym wymiarze – spróbujmy to wykorzystać.

A mamy? Udało się je stworzyć mimo porażki koncepcji Wilczka? Jak to, co było niemożliwe, stało się możliwe?

Możemy zobaczyć samoorganizację układu wielu ciał w czasie – przeorganizowanie ruchu i pojawienie się nowego ruchu periodycznego, jeżeli będziemy rozważać układ, który jest napędzany przez zewnętrzną siłę.

Potrzebny jest „palec boży”? Udało się panu wykreować taki układ?

Wyobraziłem sobie układ, który jest fizycznie bardzo prosty. Zaczniemy od rakietki do tenisa stołowego. Możemy podbijać piłeczkę na rakietce i utrzymywać ją w ruchu. Odpowiednio dobrany ruch piłeczki i rakietki będzie zachodził periodycznie, w sposób nieprzerwany.

Teraz wróćmy do nauki i zamieńmy ping-pong na chmurę ultrazimnych atomów, a rakietkę na atomowe lustro. Takie lustro to wiązka fali elektromagnetycznej w kształcie tafli, które odbija atomy. Jeżeli atomy oddziałują ze sobą słabo, to nic ciekawego się nie dzieje. Odtwarzamy to, co widzimy w klasycznym świecie. Ale jeśli atomy oddziałują dostatecznie silnie, to pojawia się bardzo specyficzny stan danego układu, który fizycy kwantowi nazywają kotem Schrödingera, który jednocześnie żyje i nie żyje. Dowolne zaburzenie tego układu, na przykład obserwacja, pomiar, powoduje, że cały układ samodzielnie przeorganizowuje swój ruch. Pojawia się nowa struktura krystaliczna w czasie.

Czy ta teoria sprawdziła się w eksperymentach?

Opublikowałem swoją pracę w 2015 r. W 2016 Amerykanie zrealizowali inne układy w laboratorium. Również mój układ zostanie zrealizowany eksperymentalnie w grupie prof. Petera Hannaforda z Swinburne University of Technology w Melbourne. Właśnie 13 lutego ruszył nasz wspólny trzyletni projekt badawczy finansowany przez Australijski Komitet Badań. Profesor wraz ze swoim zespołem robią lustra atomowe. My w Krakowie obliczyliśmy, jakie parametry są potrzebne, żeby zrealizować kryształy czasowe. Teraz wspólnie chcemy pokazać, że fizykę ciała stałego można obserwować w czasie. Tego nie ma jeszcze nigdzie na świecie, to zupełnie nowy obszar nauki. Warto podkreślić, że układ stworzony przez amerykańskich naukowców nie pozwala na badania różnych własności fizyki ciała stałego w czasie. W naszym układzie z atomami odbijanymi przez lustro da się realizować bardzo ciekawe efekty znane z fizyki kryształów przestrzennych – przewodnictwo, izolatory – mam nadzieję, że podwaliny przyszłych zastosowań.

Czy to wyścig, czy kibicujecie sobie nawzajem? A przede wszystkim, czy wyniki mają znaczenie dla ludzi spoza planety „Fizyka”?

Pyta pani, czy to przyszłościowy kierunek badań? Niech za odpowiedź służy fakt, że amerykańska agencja związana z obronnością (tzw. DARPA) rozpisała konkurs na finansowanie badań związanych z kryształami czasowymi. Amerykanie łożą zatem na te badania. Element konkurencji jest ważny, bo stymuluje do pracy. Dyskutujemy, ale dbamy o to, żeby nowe odkrycie mogło pozostać przy naszych macierzystych jednostkach naukowych. Jesteśmy w sytuacji, kiedy dziedzina kryształów czasowych została zapoczątkowana i się rozwija. To jest fantastyczna satysfakcja, kiedy tworzy się nową dziedzinę wiedzy. Bo jeżeli chcę się o czymś dowiedzieć, to nie mam możliwości sięgnąć do książki i przeczytać, jak to jest, tylko muszę to wymyślić. Dlatego coraz więcej dobrych grup – i teoretycznych i eksperymentalnych – zaczyna się tym zajmować. W Polsce jesteśmy jedyni, obecnie mam dwóch doktorantów i dwóch postdoców i wspólnie realizujemy wszystkie możliwe pomysły. We wrześniu organizujemy w Krakowie pierwszą na świecie konferencję poświęconą kryształom czasowym. Wśród gości będzie dwóch noblistów.

Zastosowania są bardzo daleko, z początku nawet nie było wiadomo, czy w ogóle cokolwiek się uda. Jak naukowiec radzi sobie ze stresem w pracy, której wynik jest niepewny?

W 2003 roku, choć nie byłem dobrze przygotowany, udało mi się przebiec maraton. Tuż po biegu przysiągłem sobie, że nigdy więcej. Miesiąc później zacząłem przygotowywać się do kolejnego. Przebiegłem już 18 maratonów w różnych miastach. To mi daje do myślenia. Czasem już ostatnią rzeczą, jaką bym chciał, jest biec dalej. Ale trzeba zagryźć zęby i próbować. To pomaga w nauce, bo sytuacji, kiedy chciałoby się zejść z trasy, jest bez liku.

Rozmawiała: Karolina Duszczyk

Profesor Krzysztof Sacha jest zatrudniony na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, gdzie w 1998 roku uzyskał stopień doktora nauk fizycznych. W tym samym roku profesor Sacha otrzymał stypendium START FNP. Dzięki  uzyskaniu prestiżowych stypendiów fundacji Alexandra Humboldta i programu Fulbrighta profesor Sacha zdobywał doświadczenie naukowe za granicą na Uniwersytecie w Marburgu oraz w Los Alamos. Oprócz kryształów czasowych, teraźniejsze zainteresowania naukowe profesora Krzysztofa Sachy dotyczą szeroko pojętej fizyki ultrazimnych gazów atomowych. Wcześniej profesor Sacha pracował m.in. nad chaosem kwantowym i jonizacją w silnych polach. W 2014 roku profesor Sacha zaproponował istnienie tzw. dyskretnych kryształów czasowych i pozostaje jednym z pionierów badań w tym obszarze nauki. We wrześniu 2019 w Krakowie odbędzie się pierwsza światowa konferencja na temat kryształów czasowych (https://timecrystals2019.org) organizowana przez prof. Krzysztofa Sachę i dra Arkadiusza Kosiora, w której wezmą udział jedni z najwybitniejszych fizyków kwantowych. Wśród gości znajdzie się dwóch noblistów: Wolfgang Ketterle i Frank Wilczek.

Przeczytaj także:

Przekaż 1% podatku młodym naukowcom, aby pomóc im w starcie kariery naukowej! Pobierz bezpłatnie program PIT i dowiedz się więcej >>> tutaj

Na zdjęciu prof. K. Sacha. Fot. Lucyna Kosior

Wyrażam zgodę na otrzymywanie materiałów informacyjnych dotyczących oferty programowej oraz działań podejmowanych w celu pozyskania środków na działalność statutową przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, na podany w trakcie rejestracji adres e-mail. Administratorem danych osobowych zawartych w niniejszym formularzu jest Fundacja na rzecz Nauki Polskiej, z siedziba w Warszawie 02-611, ul. Ignacego Krasickiego 20/22. Jednocześnie przyjmuję do wiadomości, że w stosunku do danych osobowych przekazanych FNP przysługują mi prawa wskazane w art. 32 ustawy z dn. 29 sierpnia 1997 r. o ochronie danych osobowych (Dz. U. z 2016 r. poz. 922 z późniejszymi zmianami), w szczególności prawo dostępu do danych, ich poprawiania oraz żądania zaprzestania ich przetwarzania. Wyrażenie zgody na podanie danych osobowych jest dobrowolne. Oraz: Wyrażam zgodę na przetwarzanie podanego przeze mnie adresu e-mail przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej z siedzibą w Warszawie przy ul. Krasickiego 20/22 w celu otrzymywania newslettera Fundacji. Przyjmuję do wiadomości, że zgodnie z ustawą z dnia 29 sierpnia 1997 r. o ochronie danych osobowych (Dz. U. z 2014 r. poz. 1182 ze zm.) mam prawo do dostępu do podanego przeze mnie adresu oraz jego poprawiania. Podanie adresu e-mail jest dobrowolne.

FreshMail.pl
 

Wyrażam zgodę na otrzymywanie materiałów informacyjnych dotyczących oferty programowej oraz działań podejmowanych w celu pozyskania środków na działalność statutową przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, na podany w trakcie rejestracji adres e-mail. Administratorem danych osobowych zawartych w niniejszym formularzu jest Fundacja na rzecz Nauki Polskiej, z siedziba w Warszawie 02-611, ul. Ignacego Krasickiego 20/22. Jednocześnie przyjmuję do wiadomości, że w stosunku do danych osobowych przekazanych FNP przysługują mi prawa wskazane w art. 32 ustawy z dn. 29 sierpnia 1997 r. o ochronie danych osobowych (Dz. U. z 2016 r. poz. 922 z późniejszymi zmianami), w szczególności prawo dostępu do danych, ich poprawiania oraz żądania zaprzestania ich przetwarzania. Wyrażenie zgody na podanie danych osobowych jest dobrowolne. Oraz: Wyrażam zgodę na przetwarzanie podanego przeze mnie adresu e-mail przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej z siedzibą w Warszawie przy ul. Krasickiego 20/22 w celu otrzymywania newslettera Fundacji. Przyjmuję do wiadomości, że zgodnie z ustawą z dnia 29 sierpnia 1997 r. o ochronie danych osobowych (Dz. U. z 2014 r. poz. 1182 ze zm.) mam prawo do dostępu do podanego przeze mnie adresu oraz jego poprawiania. Podanie adresu e-mail jest dobrowolne.

FreshMail.pl