Учёные подтвердили существование «кристаллов времени» — фазового состояния вещества с нарушением временной симметрии

Итак, больше это не пустые разговоры и не голая теория. На прошлой неделе в авторитетном журнале Physical Review Letters опубликована научная статья старшего преподавателя (assistant professor) физики Калифорнийского университета в Беркли Нормана Яо (Norman Yao) с коллегами, в которой он приводит схему для создания кристалла времени и методику регистрации состояний, характерную именно для этой новой формы материи.

Теперь построен мост между теорией и реальностью — эксперимент по созданию кристаллов времени может повторить каждый, и эту теорию нобелевского лауреата Вилчека можно считать подтверждённой экспериментально.

В 2012 году выдающийся физик Франк Вилчек выдвинул гипотезу «кристаллов времени». Она становится понятна, если представить существование кристалла в пространстве-времени немного с другой стороны, чем это принято. Обычно принято рассматривать кристаллическую решётку в пространстве, но Франк Вилчек предложил посмотреть на неё также во времени.

Если посмотреть на атомы кристаллической решётки таким образом, то в стабильном внешне кристалле происходят некие внутренние энергетические колебания. Расчёты Вилчека показали, что атомы могут образовывать постоянно повторяющуюся решетку во времени, возвращаясь в исходное положение спустя разные интервалы времени, тем самым нарушая временную симметрию. Получается, что без потребления или производства энергии временные кристаллы будут находиться в «основном состоянии», но циклически изменять структуру, что с точки зрения физики определяется как вечное движение.

В сентябре 2016 года Крис Монро (Chris Monroe) в лаборатории Мэрилендского университета в Колледж-Парке создал первый временной кристалл. Его идея состояла в том, чтобы создать квантовую систему в виде группы ионов, расположенных кольцом. При охлаждении кольца энергетическое состояние системы понизится до минимального уровня, то есть «основного состояния». Крис Монро для создания «основного состояния» кольца взял ионы иттербия. Он использовал квантовые взаимодействия, чтобы заставить ионы иттербия войти в основное состояние, а потом и зафиксировать нарушение временной симметрии. Научная работа выложена на arXiv.org.

После группы Монро успешный эксперимент с созданием кристаллов времени провели коллеги из Гарвардского университета (ведущий автор исследования — Михаил Лукин, сотрудник Гарварда), используя совершенно другую экспериментальную установку с плотно упакованным азот-вакансионными центрами в алмазах. Они тоже опубликовали свои результаты на arXiv.org. В гарвардской работе принимал участие Норман Яо, представитель кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли.

Норман Яо одновременно плотно сотрудничал с исследовательскими коллективами Монро и Лукина, что позволило ему детально изучить главные базовые свойства кристаллов времени.

Кристаллы времени периодически повторяют свою структуру, потому что периодически получают энергию извне. По словам старшего преподавателя Яо, это можно сравнить с движением кубика желе, которому дали щелчок пальцем. Получив внешнее энергетическое воздействие, кристаллы времени демонстрируют крайне интересное поведение, что и делает их новым фазовым состоянием вещества. Это широкий класс материалов, которым от природы не свойственно равновесие.

«Это новое фазовое состояние вещества, однозначно, — говорит Норман Яо. — но оно в самом деле классное, потому что это один из первых примеров неравновесного вещества. За последние полвека мы исследовали равновесное вещество, как в металлах и диэлектриках. Мы только сейчас начинаем изучать целый новый мир неравновесного вещества».

Сам Норман Яо с трудом представляет, где можно на практике использовать кристаллы времени. Другие исследователи предполагают, что неравновесные материалы с цикличным повторением структуры во времени могут стать практически идеальными запоминающими устройствами и найдут применение в квантовых компьютерах.

В только что опубликованной научной работе Нормана Яо описана схема создания кольца из 10 ионов иттербия, у которых спины электронов взаимодействуют друг с другом, словно кубиты в квантовых компьютерах. Чтобы вывести ионы из равновесия, их облучают лазерным импульсом для создания слабого магнитного поля, а второй лазер частично раскручивает спины атомов, многократно повторяя это воздействие. Поскольку спины взаимодействуют друг с другом, атомы переходят в повторяемый паттерн взаимодействий, который определяет структуру кристалла. Такая схема использовалась во время вышеупомянутого эксперимента в Мэрилендском университете.

В кристалле времени электроны формируют во времени кристалл, который не соответствует закреплённой в пространстве симметрии атомов. Именно это определяет его уникальные свойства.

Ещё одно необычное свойство этого фазового состояния — отклик на взаимодействие с интервалом, который превышает интервал взаимодействия. То есть материал облучают лазером с интервалом T, а материал реагирует с интервалом 2T. Это крайне странное свойство, которое отсутствует в обычных материалах. Представьте кубик желе, который начинает колебаться только со второго щелчка.

В экспериментах группы Михаила Лукина с совершенно другой экспериментальной установкой был зафиксирован такой же феномен нарушения временной симметрии — это доказывает, что кристалл времени действительно представляет собой некое новое фазовое состояние вещества.

Научная статья опубликована 18 января 2017 года в журнале Physical Review Letters (doi: 10.1103/PhysRevLett.118.030401).