Физики создали первый в истории видимый временной кристалл
Представьте себе часы без электричества, стрелки и шестеренки которых вращаются сами по себе вечно.
Конечно, это невозможно. Но то, что сделали физики Колорадского университета в Боулдере (CU Boulder), очень близко к таким фантастическим часам. Их достижение — темпоральный (временной) кристалл. Так называют любопытную фазу материи, атомы которой пребывают в постоянном движении.
Они не первые, кто создал временной кристалл, но их творение — первое, которое можно реально увидеть, что открывает множество технологических применений.
«Их можно непосредственно наблюдать под микроскопом и даже, при особых условиях, невооруженным глазом», — говорит физик Ханьцин Чжао, ведущий автор исследования.
Временной кристалл ученые получили из жидкого кристалла, заполнив им стеклянные ячейки. Сегодня мы сталкиваемся с этими удивительными веществами — одновременно жидкостью и твердым телом — ежедневно: на их основе сделано большинство дисплеев и индикаторов часов и гаджетов. При определенных обстоятельствах молекулы жидких кристаллов в форме стержней, если на них посветить, вращаются, следуя повторяющимся закономерностям.
Под микроскопом эти образцы жидких кристаллов напоминают психоделические тигровые полосы и могут двигаться часами — подобно упомянутым в начале вечным часам.
«Все рождается из ничего. Все, что нужно сделать, — это посветить, и возникает целый мир временны́х кристаллов», — объясняет профессор Иван Смалюх.
Чжао и Смалюх представляют колорадское отделение Института метаматерии с хиральными узлами — международной организации со штаб-квартирой в Университете Хиросимы, которая разрабатывает похожие на фантастические материалы.
Кристаллы в пространстве и времени
В их числе — временны́е кристаллы, идею которых впервые предложил лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек в 2012 году. Они будто сошли со страниц научной фантастики — но на деле вдохновлены природными кристаллами, такими как алмазы или поваренная соль.
Атомы обычных кристаллов упорядочены а пространстве. Вильчек задался вопросом, возможно ли создать кристалл, который был бы так же хорошо организован, но во времени — чтобы атомы в нем не покоились в узлах решетки, а двигались или преобразовывались, как в зацикленной GIF-анимации.
Оригинальная концепция Вильчека оказалась неосуществимой, но с тех пор ученые создали фазы материи, которые достаточно близки к ней. Например, в 2021 году физики использовали квантовый компьютер Google Sycamore для создания специальной сети атомов. Когда команда воздействовала на эти атомы лазерным лучом, они испытывали колебания, которые повторялись многократно.
Танцующие кристаллы
Чжао и Смалюх взялись добиться того же результата с жидкими кристаллами. Результаты их экспериментов опубликованы в журнале Nature Materials.
Они поместили раствор жидких кристаллов между двумя стеклами, покрытыми молекулами красителя. Сами по себе эти образцы в основном оставались неподвижными. Но под воздействием света определенного типа молекулы красителя изменили свою ориентацию и сжали жидкие кристаллы. В процессе внезапно образовались тысячи новых изгибов.
Эти изгибы также начали взаимодействовать друг с другом, следуя невероятно сложной последовательности шагов. Словно в зале с танцующими вальс парами, которые распадаются, кружатся в пространстве, опять сходятся и повторяют все снова. Разрушить эти временные закономерности очень сложно — исследователи повышали или понижали температуру образцов, и это не нарушило движения жидких кристаллов.
«В этом и есть прелесть этого временно́го кристалла. Не нужны какие-то особенные условия — мы просто зажигаем свет, и все происходит», — говорит Смалюх.
Экспериментаторы назвали несколько применений временны́х кристаллов. Например, можно защищать банкноты, нанеся на них «временной водяной знак». А если сложить несколько слоев разных временны́х кристаллов, можно получить накопитель огромного объема цифровых данных.
«Мы не хотим сейчас ограничивать возможные применения. Думаю, есть возможности продвигать эту технологию в самых разных направлениях», — заключил Смалюх.
