Несмотря на то что непривычная для многих концепция так называемых пространственно-временных кристаллов может показаться фантастической, они являются объективной реальностью. Уникальная серия исследований, которая была проведенна учеными Йельского университета, подтвердила, что эти структуры могут присутствовать в привычных повседневных предметах. В ходе изысканий исследователи обнаружили отчетливые признаки пространственно-временных кристаллов внутри образцов обычного вещества, входящего в состав стандартных наборов для детских химических опытов. В отличие от традиционных кристаллов, структура которых базируется на чередовании кубических или шестигранных форм в трехмерном пространстве, данные объекты обладают уникальными свойствами организации кристаллической решетки.

Но, в 2012 году ученый-физик и Лауреат Нобелевской премии Франк Вилкзек (Frank Wilczek) из Массачусетского технологического института предложил концепцию, согласно которой могут существовать кристаллы, элементы структуры которых повторяются не только в пространстве, но и во времени. Это означает, что структура этих кристаллов или другие их параметры, такие, как направление вращения атомов, к примеру, циклически колеблются со строго определенной частотой.

Существование пространственно-временных кристаллов было подтверждено в 2016 году, когда группе исследователей из Калифорнийского университета в Беркли удалось впервые создать такой кристалл в лабораторных условиях.

Это вдохновило ученых из Йеля начать поиски уникальных подписей подобных кристаллов внутри других твердых объектов. И первая такая подпись была обнаружена в кристаллах фосфата моноаммония (monoammonium phosphate, MAP), вещества, которое очень хорошо кристаллизуется и содержится в наборах для детей, интересующихся выращиванием различных кристаллов. А для поиска следов наличия пространственно-временных кристаллов ученые использовали достаточно обычную установку магнитно-ядерного резонанса.

“Проведенные нами измерения параметров исследуемых кристаллов с самого начала начали выглядеть поразительно” – рассказывает Шон Барретт (Sean Barrett), научный руководитель данного проекта, – “Подписи дискретных временных кристаллов (discrete time crystal, DTC) были найдены в самых разных вещах, в том числе и детских наборах для выращивания кристаллов”.

Обнаружив пространственно-временной кристалл, ученые провели над ним несколько экспериментов и проверили некоторые предположения касательно квантовой природы данного явления. Эта странная находка поднимает больше вопросов, нежели дает ответов с учетом того, что пространственно-временные кристаллы были созданы в лаборатории университета в Беркли в достаточно особых и чрезвычайных условиях окружающей среды. И главным вопросом является вопрос о том, как такие кристаллы могут формироваться естественным путем?

Для любознательных

Временной кристалл — это материал, который «живёт» во времени, как обычный кристалл, например алмаз, существует в пространстве. Если в алмазе атомы выстроены в чёткий узор, то временной кристалл меняет своё состояние с регулярным ритмом, даже если на него действует постоянная сила, вроде света лазера. Представьте маятник, который качается сам по себе, без толчка — вот так работает временной кристалл. Временные кристаллы помогают учёным понять, как работают сложные системы в природе, например, ритмы в биологии или квантовые процессы.

Учёные из Дортмундского университета в Германии решили изучить, как такой кристалл, сделанный из индий-галлиевого арсенида, реагирует на свет, и поделились результатами.

В эксперименте исследователи направили на кристалл лазер, но вместо постоянного света включали и выключали его с разной скоростью. Сначала кристалл «танцевал» в идеальном ритме, подстраиваясь под свет, как танцор под музыку. Учёные заметили, что он синхронизируется на определённых скоростях, создавая чёткие этапы, которые назвали «плато». Но когда скорость света менялась, кристалл начинал «сбиваться»: его движения становились сложными, как будто он пытался следовать сразу нескольким мелодиям. Это привело к хаосу, где даже малейшее изменение скорости полностью меняло «танец». Удивительно, но при ещё большей скорости хаос исчезал, и кристалл снова двигался ровно, как по расписанию.

Учёные сравнили это с «лестницей дьявола» — математической структурой, где шаги становятся всё меньше и меньше, создавая сложный узор переходов. Такое название выбрали, потому что поведение кристалла напоминало эти шаги: его ритм ветвился, становился хаотичным, но при этом оставался упорядоченным, как ступени на бесконечной лестнице.

Зачем это нужно? Поведение временного кристалла похоже на ритмы в природе, например, биение сердца или полёт птиц, и помогает учёным понять сложные процессы. А в будущем такие кристаллы могут улучшить электронику: сделать часы точнее, ускорить компьютеры или создать новые технологии, где важна стабильность. Учёные планируют продолжить эксперименты, чтобы научиться управлять этими «танцующими» кристаллами и использовать их для создания устройств.

Исследования пространственно-временных (или темпоральных) кристаллов в России носят преимущественно фундаментальный, теоретический характер и ведутся на базе ведущих квантовых институтов. Ученые создают физические модели таких сред для развития квантовых вычислений и создания сверхчувствительных оптических лазеров. 

Ключевые центры и направления исследований: