Ученые подтвердили существование нового вида материи: кристаллов времени

Постоянно в движении без затрат энергии

Уже несколько месяцев идут разговоры о том, что исследователям удалось создать кристаллы времени — странные кристаллы, атомная структура которых повторяется не только в пространстве, но и во времени, что означает, что они постоянно двигаются без затрат энергии.

Теперь это официально подтвердили: исследователи только недавно рассказали в деталях, как создать и измерить эти странные кристаллы. И две независимые группы ученых утверждают, что им действительно удалось создать кристаллы времени в лабораторных условиях, пользуясь предоставленной инструкцией, тем самым они подтвердили существование абсолютно нового типа материи.

Открытие может показаться абсолютно абстрактным, но оно является предвестником начала новой эры в физике, ведь многие десятилетия мы изучали лишь материю, которая по определению была ‘в равновесии’: металлы и изоляторы.

Но звучали предположения о существовании во Вселенной самых разных странных видов материи, которая не находится в равновесии и которую мы даже не начали еще изучать, в том числе и кристаллы времени. Теперь мы знаем, что это не выдумка.

Сам факт того, что у нас теперь есть первый пример ‘неравновесной’ материи, может привести в прорыву в нашем понимании окружающего мира, а также таких технологий как квантовые вычисления.

“Это новый вид материи, и точка. Но классно и то, что это один из первых экземляров ‘неравновесной’ материи,” делится впечатлениями ведущий исследователь Норман Яо из Калифорнийского университета в Беркли.

“Всю вторую половину прошлого века мы изучали материю в равновесии, такую как металлы и изоляторы. И только сейчас мы ступили на территорию ‘неравновесной’ материи.”

Но давайте сделаем паузу и оглянемся, ведь концепт кристаллов времени существует уже несколько лет.

Впервые их предсказал нобелевский лауреат теоретик физики Фрэнк Вильчек в 2012-м году. Кристаллы времени — это структуры, которые, кажется, находятся в движении даже при малейшем уровне энергии, известным как основное состояние или состояние покоя.

Обычно, если материя находится в основном состоянии, также известным как состояние нулевой энергии системы, это означает, что движение теоретически невозможно, ведь на него требуются затраты энергии.

Но Вильчек утверждал, что кристаллов времени это не касается.

У обычных кристаллов атомная решетка повторяется в пространстве, совсем как углородная решетка алмаза. Но, как рубин или изумруд, они не двиггаются, потому что находятся в равновесии в своем основном состоянии.

А у кристаллов времени структура повторяется еще и во времени, не только в пространстве. И поэтому они в основном состоянии находятся в движении.

Представьте себе желе. Если его ткнуть пальцем, оно начнет колебаться. То же самое происходит и в кристаллах времени, но большое отличие в том, что им на движение не требуется энергия.

Кристалл времени — это как постоянно колебающееся желе в своем привычном, основном состоянии, и именно это делает его новым видом материи — ‘неравновесной’ материи. Которая просто не может усидеть на месте.

Но одно дело предсказать существование таких кристаллов, и совсем другое действительно их создать, что и произошло в новейшем исследовании.

Яо и его команда создали детализированную схему, в которой подробно описали, как создать и измерить характеристики кристалла времени, и даже предсказать какими должны быть различные фазы, окружающие кристалл времени, другими словами, они описали эквиваленты твердого, жидкого и газообразного состояний нового типа материи.

Опубликованную в Physical Review Letters статью Яо назвал “мостиком между теоретической идеей и эксперементальным воплощением”.

И это вовсе не спекуляци. Следуя инструкции Яо, две независимые группы — одна из Университета Мериленда, другая из Гарварда — сумели создать свои собственные кристаллы времени.

Результаты обоих исследований были объявлены в конце прошлого года на сайте arXiv.org (тут и тут), и были отправлены на публикацию в рецензируемые журналы. Яо стал со-автором обеих статей.

Пока мы ждем публикаций, стоит оставаться скептически настроенными к заявлениям. Но сам факт, что двум независимым группам удалось по одной схеме создать кристаллы времени в абсолютно разных условиях, звучит многообещающе.

В Университете Мериленда кристаллы времени были созданы из цепочки из 10-ти ионов иттербия, все с запутанными спинами электронов.



Ключом к превращению этой основы в кристалл времени было сохранение ионов в неравновесии, и для этого по ним по очереди ударяли из двух лазеров. Один лазер создавал магнитное поле, второй лазер частично разворачивал спины атомов.

Так как спины атомов были изначально запутаны, они вскоре вошли в стабильную, повторяющуюся схему поворота спина, которая и определяет кристалл.

Это было нормальным, но чтобы стать кристаллом времени, система должна была сломить симметрию во времени. При наблюдении за цепочкой атомов иттербия, исследователи заметили нечто необычное.

Два лазера, периодически ударяющих по атомам иттербия, вызывали повторение в системе с периодом в два раза больше периода ‘толчков’, а это было как раз тем, что не могло возникнуть в нормальной системе.

“Не правда ли, было бы очень странно, если бы вы ткнули желе и обнаружили, что оно реагирует на это с разными временными периодами?” — объясняет Яо.

“Но в этом и есть природа кристалла времени. У вас есть какой-то возбудитель с периодом T, но система каким-то образом синхронизируется, и вы наблюдаете ее движение с периодом, превышающим T.”

В зависимости от магнитного поля и пульсации лазера, кристалл времени потом мог изменить свою фазу, как тающий кубик.



Кристалл из Гарварда был другим. Исследователи создали его, используя плотные азотно-вакансионные центры в алмазе, но пришли к тому же результату.

“Таких схожие результаты, полученные в двух очень разных системах, подтверждают, что кристаллы времени — широко распространенная форма материи, а не какая-то любопытная особенность, наблюдаемая лишь в небольшой, особенной системе,” — объясняет Фил Риферми из Университета Индианы в сопуствующей к работе заметке, он не участвовал в исследовании, но рецензировал статью.

“Наблюдение этого отдельного кристалла времени… подтверждает, что слом симметрии может происходить в всех областях природы, а это открывает новые сферы для исследований.”

Схема Яо была опубликована в Physical Review Letters, а со статьей из Гарварда о кристаллах времени вы можете ознакомиться тут, со статьей Университета Мериленда тут.

Специально для проекта “Наука от Фансаенс”

Отсюда