Когда физика круче, чем фантастика: ученые открыли новый вид материи — временные кристаллы

Впервые кристаллы времени — или темпоральные кристаллы — были предсказаны нобелевским лауреатом по физике Фрэнком Вильчеком не так давно — в 2012 году. Однако в прошлом году впервые удалось подтвердить теорию экспериментально — ученым буквально удалось воссоздать этот загадочный вид материи у себя в лаборатории.

Если обычный кристалл — это такая форма твердой материи, у которой структура повторяется в пространстве, но остается неизменной во времени, то темпоральный кристалл периодически меняет свою структуру и во времени тоже, видоизменяясь и затем вновь принимая изначальную конструкцию через определенные интервалы. Если привычные ассоциации с кристаллами для большинства людей — это алмазы и аметистовые камни, то для теоретических физиков это совершенно новый тип материи.

Привычная нам твердая материя не меняет своей структуры во времени — условная углеродная решетка алмаза, известная всем по школьному учебнику химии, остается такой, какая есть, и не двигается без применения к ней энергии, находясь в равновесии в своем основном состоянии. У кристаллов времени же атомная решетка повторяется и во времени — это означает, что основное состояние таких кристаллов — это движение. Фактически это такой вид материи, который никогда не находится в эквилибриуме. Для аналогии представьте себе желе, которое, после того, как в него ткнули пальцем, бесконечно колеблется.

Образно говоря, это и удалось сделать двум независимым группам ученых — одна использовала для создания среды лазерное облучение, другая — микроволновое. Дело в том, что изначальная теория о том, что темпоральные кристаллы, имеющие динамичную природу, могут существовать в полностью статичной температурной среде, как утверждал автор идеи Вильчек, претерпела изменения. На сегодняшний день теоретики сошлись на том, что необходимо сперва спровоцировать движение. Это было доказано Норманом Яо из университета Беркли, который первым расписал подробную инструкцию для получения временного кристалла в лабораторных условиях.

Чего же именно добились экспериментаторы? Одна группа ученых применяла лазер для того, чтобы запустить в движение отдельные частицы (то есть сбивала отдельные ионы с оси) и на выходе получить хаотичное движение всех частиц в цепочке. Вторая группа ученых, возглавляемая известным российско-американским физиком Михаилом Лукиным, действовала по тому же принципу, только использовала для этого микроволновое излучение. В обоих случаях интересно то, что через определенные интервалы времени все частицы в цепочке, приведенные ранее в движение, возвращались «в ряд», то есть принимали свою изначальную структуру — таким образом удалось получить тот самый временной кристалл, чья структура повторялась во времени.

Михаил Лукин

Норман Яо также утверждал, что у временного кристалла могут быть разные фазы — как и у любого твердого вещества. И хотя на сегодняшний день о возможном применении временных кристаллов можно только догадываться, в целом способность работать с такого рода материей может оказаться полезной в технологиях компьютерной памяти и шифрования и в понимании квантовой физики. Бесспорно одно — экспериментальное подтверждение существования временных кристаллов является гигантским прорывом в науке и может привести к качественно новым технологиям в будущем.

Смотрите также: 10 научных открытий 2017 года, которые звучат как фантастика