Физики впервые расплавили пространственно-временной кристалл

Группа исследователей из Шанхайского университета Цзяотун впервые в лабораторных условиях зафиксировала процесс разрушения пространственно-временного кристалла — одной из самых необычных форм существования материи. Эксперимент показал, что плавление этого объекта протекает совершенно иначе, чем у обычных твердых тел: пространственная и временная упорядоченность атомов исчезает в нем по отдельности, подчиняясь различным физическим законам. Исследование открывает новые перспективы для изучения фазовых переходов в неравновесных системах. Результаты работы опубликованы в журнале PNAS.

Что такое пространственно-временной кристалл

В классическом понимании кристалл — это твердое вещество, атомы которого образуют строго периодическую трехмерную решетку, повторяющуюся в пространстве. Пространственно-временной кристалл устроен сложнее. Его структура дублируется не только в пространстве, но и во времени. Колебания атомов в таком материале складываются в устойчивый, циклически воспроизводимый ритм. Но изучение таких кристаллов сопряжено с серьезными трудностями: их сложно создавать, а главное — сохранять в стабильном состоянии, необходимом для полноценного изучения.

Чтобы обойти эти ограничения, физики из Китая создали классический аналог квантовой системы. Установка представляла собой вибрирующую с частотой 100 Гц металлическую пластину диаметром около полуметра, на которую помещались сотни миниатюрных пластиковых дисков. Каждый диск был оснащен шестью наклонными ножками-штифтами, которые при колебаниях платформы хаотично ударялись об ее поверхность, создавая импульсы. При достижении критической плотности диски спонтанно выстроились в треугольную решетку, а вся конструкция начала вращаться как единое целое с периодом около пяти часов. 

Что показало плавление кристалла

Чтобы запустить плавление пространственно-временного кристалла, исследователи убрали часть дисков, снизив их плотность. Наблюдения показали, что разрушение структуры прошло через три четкие стадии:

1. Сбои в синхронизации локальных участков решетки при сохранении общей пространственной структуры и ритма большей части кристалла.
2. Полное разрушение единого временного ритма при сохранении пространственной структуры.
3. Полное уничтожение пространственной структуры кристалла.

Выяснилось, что временная и пространственная упорядоченность кристалла разрушаются при разных критических условиях и посредством принципиально различных механизмов. Потеря временного ритма обусловлена ослаблением взаимодействий между частицами, тогда как разрушение кристаллической решетки происходит из-за накопления и распространения дефектов. 

Значение открытия

Это открытие не означает, что все пространственно-временные кристаллы плавятся именно так. Однако оно впервые доказывает, что в таких системах время и пространство могут терять связь друг с другом. Это фундаментальный шаг в изучении фазовых переходов в классических системах, открывающий путь к созданию новых макроскопических объектов со сложным, нарушенным симметрийным рисунком в пространстве и времени.

«Наши результаты подтверждают существование экзотических неравновесных кристаллических фаз материи в пространстве-времени и открывают новые возможности для реализации макроскопических классических систем, демонстрирующих сложные пространственно-временные закономерности нарушения симметрии», — резюмируют авторы работы.