Благодаря последнему прорыву, жутковатые колебания новой пульсирующей формы материи были впервые сняты с помощью специального микроскопа. Он позволяет нам увидеть эту странную, фазовую форму вещества, которая сильно отличается от привычных нам твердых тел, жидкостей, газов и плазмы.
Снимок сделал «Максимус», ультрамощный рентгеновский микроскоп в Центре Гельмгольца в Берлине. Он дает нам представление о поведении новых кристаллов времени, которые впервые были экспериментально созданы в лаборатории в 2016 году. Открытие обещает «выдающиеся новые прорывы в фундаментальных исследованиях», — говорится в материале, опубликованном командой ученых в Physical Review Letters.
Что такое кристалл времени
Вкратце, временные кристаллы — это объекты, которые проявляют свойства кристаллов как в пространстве, так и во времени.
Чтобы понять их свойства, можно сначала убрать четвертое измерение, время, и рассмотреть обычный трехмерный кристалл. Что это такое? Набор атомов, расположенный в определенной повторяющейся, систематической последовательности.
Скажем, кубики льда. Прежде чем вода кристаллизуется, пространство, которое она занимает, является однородным. Вы можете взять пробу снизу, сверху или где-нибудь в середине стакана, и получить одну и ту же бесформенную массу. Что является одним способом показать то, что пространство демонстрирует симметрию.
Тем не менее, когда вода кристаллизуется, атомы образуют жесткие заданные структуры. Пространство, занимаемое кристаллом, стало периодическим, у него есть некоторый алгоритм. Кристалл нарушил пространственную симметрию, потому что он показывает повторяющиеся узоры в некоторых направлениях.
Точно так же, как атомные решетки обычных кристаллов повторяют регулярные узоры в пространстве, кристаллы времени повторяют регулярные узоры во времени. На практике это означает, что они демонстрируют так называемую временную периодичность, колеблясь между одной и другой энергетической конфигурацией, как часы.
Гипотезу о существовании временных кристаллов в 2012 году выдвинул лауреат Нобелевской премии по физике Франк Вильчек. Он представил материю, в которой, при всей внешней стабильности, происходят некие энергетические колебания. То есть, она меняется не в пространстве, а во времени. Вильчек говорил, такие структуры могут существовать, если они получают энергию для своей оссиляции из разлома в симметрии времени. По его расчетам, атомы могут образовывать постоянно повторяющуюся решетку во времени, возвращаясь в исходное положение спустя одинаковые интервалы, тем самым нарушая временную однородность (симметрию).
Кубик льда — довольно редкое явление в природе. У него низкая энтропия, он склонен к разрушению. То же самое и с временными кристалами: найти их в природе, по крайней мере на Земле, невозможно. Сам факт их существования представлялся крайне сомнительным. Структуры казались слишком эфемерными и далекими от реальности.
Точно так же, как физика допускает спонтанное образование кристаллов, периодичность которых нарушает симметрию (однообразность) пространства, также она должна допускать спонтанное образование временных кристаллов, периодичность которых нарушает симметрию времени. Согласно Вильчеку, это проявится в периодическом колебании различных термодинамических процессов.
Вильчек представил систему в ее минимально возможном энергетическом состоянии, фактически замороженную в пространстве. Как нормальный кристалл, только полностью изолированный от пространственных колебаний. Тогда его колебания во времени можно будет засечь.
Идея казалась довольно странной — новый вид материи, отличающийся от других своим поведением в четвертом измерении. Но в сентябре 2016-го группа ученых в лаборатории Мэрилендского университета в Колледж-Парке неожиданно не подтвердил теорию Вильчека. Они создали первый временной кристалл. Для этого использовалось кольцо ионов иттебрия, охлажденных почти до абсолютного ноля (0,0000000001 К). В структуре было зафиксировано нарушение временной симметрии.
Новая материя действительно показывала необычные свойства. Когда на кристалл времени оказывалось воздействие с определенным периодом или частотой, он не реагировал на той же частоте, а модифицировал её «под себя». Если лазер подавал импульс на цепочку ионов (формирующую кристалл времени) каждые десять секунд, эти ионы реагировали с периодом не в десять, а в двадцать, тридцать, сорок секунд. Или другое число, кратное первоначальному периоду.
Можно представить три ребенка, прыгающих через веревку. Андрей и Ваня её раскручивают, а Катя прыгает. Каждые три секунды руки ребят делают полный круг и возвращаются в свое изначальное положение. Веревка обходит Катю, ей нужно один раз подпрыгнуть. Между объектами установлена симметрия во времени, период которой равен трем секундам.
Теперь, чтобы представить временной кристалл, нужно нарушить эту временную симметрию. Система будет реагировать на другой частоте. Руки Андрея и Вани совершают несколько полных оборотов, а веревка делает только один оборот. То есть, они прокрутили веревку четыре раза, но Кате нужно перепрыгнуть только один раз. Что довольно-таки странно (хотя и не так странно, как квантовая механика, в правильности которой теперь мало кто сомневается).
После группы из Мэрилендского университета успешный эксперимент с созданием кристаллов времени провели их коллеги из Гарварда. Они использовали совершенно другую экспериментальную установку с плотно упакованным азот-вакансионными центрами в алмазах. И снова — временные кристаллы получилось создать, пусть и в нано-масштабе.
Система тут была сложнее, атомов в ней — больше, и она хорошо демонстрировала это необычное свойство временного кристала: отклик на взаимодействие с интервалом, превышающим интервал взаимодействия. Структуру облучали лазером с интервалом T, а материал реагировал с интервалом 2T. Это крайне странное свойство, которое отсутствует в обычных материалах. Можно представить кубик желе, который начинает колебаться только со второго щелчка.
При этом новый тип материи очень четко и структурированно переходил из одной конфигурации в другую, как часы. Поэтому ученые предполагают, что в итоге из временных кристаллов можно будет делать устройства для измерения времени (атомные часы). Их также думают использовать в качестве средства хранения памяти, «жесткого диска» в квантовых компьютерах. Собственно, обе команды, из Мэрилендского университета и из Гарварда, до этого занимались квантовыми компьютерами. Поэтому, по их словам, им и удалось так быстро переключиться на временные кристаллы. Системы используют одни и те же принципы, разрабатываются похожим образом, и кажутся как будто созданными друг для друга.
Норман Яо, физик из Калифорнийского университета в Беркли, который в 2017-м впервые опубликовал схему для создания и отслеживания временных кристаллов, а также помогал команде Гарварда, рассказывает:
Последние полвека мы исследовали только временно-равновесное вещество, как в металлах и диэлектриках. Мы только сейчас начинаем изучать целый новый мир неравновесного вещества.
Чуть более детальный разбор свойств и методов получения временных кристалов на Хабре можно найти вот тут. А ещё подробнее — тут (на английском).
Что сейчас
Исследования свойств временных кристаллов продолжаются. Для ученых это настоящий кладезь знаний, вопросов здесь гораздо больше, чем ответов. Очень детальное исследование вышло меньше месяца назад в Physical Review Letters. Работу совместно провели ученые из Института интеллектуальных систем Макса Планка, Университета им. Адама Мицкевича и Польской академии наук.
Совместная немецко-польская команда смогла создать гораздо (в несколько миллионов раз) больший кристалл времени, чем раньше. Причем при комнатной температуре. Они получили новый тип материи путем сильной однородной микроволновой накачки мазером полосы пермаллоя микронного размера. Их кристалл состоит из магнонов — квазичастиц, связанных со спином электронов в магнитном материале. Один из ученых, Ник Трегер, говорит, что проще всего осмыслить эту концепцию, представив магноны как аналог фотонов. Точно так же, как фотоны — это квантование света, магноны — это квантование спиновой волны внутри магнитного материала.
В своем эксперименте Ник Трегер, Павел Грушецкий и другие поместили маленькую полоску магнитного материала на микроскопическую антенну, через которую они посылали радиочастотный ток. Это микроволновое поле вызвало колеблющееся магнитное поле — источник энергии, который стимулировал в полоске магноны (квазичастицы спиновой волны).
Магнитные волны перемещались по полоске налево и направо, периодически спонтанно формируясь в повторяющийся узор в пространстве и времени. В отличие от обычных стоячих волн, этот узор формировался еще до того, как две сходящиеся волны могли бы встретиться и пересечься. Вывод: эта закономерность, узор, который регулярно исчезает и снова появляется сам по себе, должен быть квантовым эффектом. Собственно, его мы и можем наблюдать на выпущенном учеными видео:
Ник Трегер говорит в интервью, выложенном на сайте Института интеллектуальных систем Макса Планка:
Это, конечно, немного странно и сбивает с толку. Но, вкратце, мы индуцируем магноны в полосе с помощью антенны поверх структуры. То есть, все, что вы можете увидеть в этом видео, представляет собой периодический узор (формируемый магнонами). Он следует собственному периодическому движению в пространстве-времени, то есть формирует временной кристалл.
Гизела Шютц, директор Института интеллектуальных систем им. Макса Планка, возглавляющая отдел современных магнитных систем, в статье отмечает уникальность рентгеновской камеры «Максимуса», которая смогла запечатлеть этот снимок:
Она не только может видеть фронты волн с очень высоким разрешением, в 20 раз четче, чем лучший световой микроскоп. Она может делать это со скоростью до 40 миллиардов кадров в секунду, а также с чрезвычайно высокой чувствительностью к магнитным явлениям.
Павел Грушецкий, ученый с физического факультета Университета Адама Мицкевича в Познани, говорит:
Мы смогли показать, что пространственно-временные кристаллы намного более устойчивые и распространенные, чем ранее полагалось. Наш магнонный кристалл формируется при комнатной температуре! И частицы могут взаимодействовать с ним — в отличие от изолированной системы, создаваемой при абсолютном ноле. Более того, он достиг размера, который можно было бы использовать. Такой эксперимент открывает массу потенциальных полезных применений для этого нового вида материи.
Йоахим Грефе, последний автор публикации в Physical Review Letters, делает вывод:
Классические кристаллы, как мы все прекрасно знаем, имеют очень широкую область применения. Теперь мы видим, что существуют кристаллы, которые могут проявлять свои свойства не только в пространстве, но и во времени. Это позволяет добавить еще одно измерение для возможных вариантов их использования.
Мне кажется очевидным, что временные кристаллы будут полезны там, где нужны очень эффективные устройства для частотных манипуляций или проведения точных отсчетов. Потенциал для технологий связи, радаров или квантовых машин — огромен.
Наши коллеги также в восторге от того, как эти структуры можно применять для исследования физики нелинейных волн. Но для начала сейчас мы хотим получить более фундаментальное понимание временных колебаний кристаллов пространства-времени. И только после этого будем думать о том, как это можно использовать на практике.
