Причудливая форма "невозможной" материи: создан первый в мире "кристалл времени"

Американские физики впервые создали так называемый кристалл времени – состояние материи, которое нарушает временную симметрию. Несмотря на название, новое изобретение не позволит путешествовать в прошлое, но в будущем может быть использовано для хранения информации в квантовых компьютерах.

Поясним. Законы физики говорят, что пустое пространство обладает симметрией, и ни одна точка не отличается от любой другой. Но кристаллические вещества, такие как алмаз или соль, нарушают это правило, так как их атомы закреплены на строго определённых местах.

В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Фрэнк Вильчек, заинтересовался следующим вопросом: почему симметрия никогда не разрушается во времени спонтанным образом, а также можно ли создать систему, в которой такое будет происходить. Вдохновлённый строением кристаллов, он предположил, что можно создавать упорядоченные особым образом структуры, которые будут изменяться с течением времени без каких-либо затрат энергии.

Сначала учёный представлял такой кристалл в виде кольца из квантовых частиц, которое будет бесконечно вращаться в слабом магнитном поле, постоянно возвращаясь в исходное состояние, без какого-либо воздействия извне. При этом система будет находиться на минимальном энергетическом уровне, а значит, не сможет производить энергию. И всё же эта идея так сильно напоминала вечный двигатель, что сам автор посчитал её слишком смелой и представил упрощённый вариант, в котором квантовая система никогда не приходит в равновесное состояние.

В обычной материи "более горячие" частицы передают энергию "более холодным" до тех пор, пока температура не выровняется и вся система из частиц не достигнет теплового равновесия. Однако в кристалле времени этого не происходит, и атомы постоянно претерпевают циклические изменения, возвращаясь на изначальные позиции и отправляясь на следующий круг.

В последующие пять лет был опубликован ряд работ, которые приводили доводы, как в пользу, так и против теории Вильчека. В частности, год назад команда из Калифорнийского университета в Беркли описала способ создания кристалла времени в лабораторных условиях, и теперь именно этот подход принёс плоды, хотя до вращающихся без посторонней помощи колец дело так и не дошло.

Группа калифорнийских учёных под руководством Нормана Яо (Norman Yao) объединила усилия с командой Кристофера Монро (Christopher Monroe) из Мэрилендского университета.

Как сообщается в пресс-релизе, исследователи составили цепочку из ионов химического элемента иттербия и охладили её до температуры, близкой к абсолютному нулю, когда энергетическое состояние системы снижается до минимума, и они переходят в так называемое основное состояние.

Затем команда воздействовала на цепь лазерными импульсами, которые заставляли атомы менять свой спин. Если "выстрелить" в ионы серией из двух импульсов с точно выровненной частотой, они сначала изменяют спин на 180 градусов, а затем возвращаются обратно к первоначальному значению. Но если частота лазерных импульсов отличается, спин поворачивается не в строго противоположном направлении и уже не может вернуться на исходную позицию.

Учёные одновременно воздействовали на систему двумя типами лазеров. Один – точно отрегулированный – переворачивал спин ионов. Другой – создающий неорганизованные импульсы с разной частотой – заставлял спины взаимодействовать друг с другом случайным образом.

Если бы имела место временная симметрия, спины должны были меняться хаотично. Но учёные обнаружили, что, несмотря на беспорядочное включение и выключение лазеров, спины ионов синхронизировались и ритмично колебались в чётко прогнозируемой последовательности, что и требовалось от кристалла времени. Мало того, когда исследователи немного сбили частоту первого лазера, система продолжала колебаться с первоначальной частотой.

Такую систему можно сравнить с колоколом, в который бьют каждую секунду, но звон раздаётся один раз в две секунды.

"В этом вся суть кристалла времени, – говорит Яо. – У вас есть какая-то движущая сила, которая воздействует на систему с определённой периодичностью, но система каким-то образом синхронизируется так, что вы наблюдаете её колебания с другой частотой".

Подробные результаты исследования команды Монро были опубликованы в журнале Nature.

Однако, добавим, что на этом история причудливой материи только начинается. Труды Вильчека вдохновили и других физиков на необычные эксперименты.

Так в Гарвардском университете команда под руководством Михаила Лукина подошла к вопросу иначе. Физики взяли алмаз, кристаллическая решётка которого содержала многочисленные включения атомов азота. Каждый такой дефект (вместо атомов углерода располагались атомы азота) обладал спином, и вместе они создавали естественный беспорядочный фон. Когда команда физиков использовала микроволновые импульсы, чтобы перевернуть спины, они увидели, что система реагирует ритмично, но не в такт частоте импульсов. Результаты исследования также были опубликованы в издании Nature.

Обе работы показали, что кристаллы времени остаются стабильными даже при небольших изменениях условий. Это означает, что в будущем они могут быть использованы в квантовых системах, которые сейчас очень сложно контролировать. Но до этого момента другим группам физиков ещё предстоит проверить выводы экспериментов, которые длились менее миллисекунды.