Создана новая форма материи - временные кристаллы, нарушающие некоторые фундаментальные физические принципы - «Наука и технологии»

Международной группе ученых удалось создать и провести первые в истории наблюдения за новым состоянием материи, которое называется временным кристаллом. В обычных кристаллах атомы расположены в определенном порядке, который повторяется в пространстве в различных направлениях, структура временных кристаллов не имеет пространственной упорядоченности, вместо этого она повторяется через определенные промежутки времени. Возможность существования временных кристаллов была теоретически обоснована в 2012 году, но практическое их создание считалось невозможными из-за того, что они нарушают законы теплового равновесия. И создание образцов таких кристаллов является первыми шагами в неизведанный доселе мир неравновесных фаз состояний материи.

Идея о возможности существования временных кристаллов была выдвинута в 2012 году ученым-физиком и Лауреатом Нобелевской премии Франком Вилкзеком (Frank Wilczek) из Массачусетского технологического института. После этого было опубликовано множество научных работ по этой теме, в некоторых из которых предлагались новые способы создания временных кристаллов, а в других приводились доказательства невозможности их существования. В 2016 году группа ученых из Калифорнийского университета в Беркли в общих чертах обрисовала один из методов создания временных кристаллов в лабораторных условиях, и спустя не очень продолжительное время это принесло практические результаты.

Странную природу временных кристаллов Норман Яо (Norman Yao), ученый из Калифорнийского университета, демонстрирует на примере тарелки, на которой лежит достаточно высокий кусочек желе. "Если качнуть такую тарелку, то желе начнет колебаться и амплитуда этих колебаний будет затихать со временем до той поры, пока вы не качнете тарелку снова. Временные кристаллы ведут себя совсем по-другому, их атомы будут периодически колебаться, возвращаясь к одному и тому же образу через определенные интервалы времени. И самым парадоксальным является то, что все это происходит без любой движущей силы, воздействующей на кристалл извне".

Так что же из фундаментальной физики нарушает факт существования временных кристаллов? В большинстве случаев атомы вещества, имеющие более высокую температуру, будут отдавать излишки тепловой энергии соседним с ними атомам. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока абсолютно все атомы в рассматриваемом объеме пространства не станут иметь одну и ту же температуру. Такое состояние материи называется состоянием теплового равновесия, но временные кристаллы никогда не смогут достичь такого состояния, постоянно переходя из одной неравновесной фазы в другую.

Для того, чтобы создать временной кристалл, исследователи использовали ионы иттербия. Эти ионы поднимались и удерживались при помощи электрического поля, а первоначальный толчок, "запустивший вечный двигатель" временного кристалла, был произведен при помощи импульса лазерного света. Импульсы света других дополнительных лазеров использовались для того, чтобы упорядочить движение ионов, после чего это движение приобрело повторяющийся во времени характер.

Здесь следует особо отметить, что характеристики первоначального импульса лазерного света и импульсов дополнительных лазеров были подобраны таким образом, что энергия этих импульсов не могла выступать в роли силы, заставляющей двигаться всю систему ионов. Эти импульсы служили только для задания временного ритма движения. Все, что происходило с системой ионов иттербия, полностью укладывается в рамки, определяемые теорией Франка Вилкзека, и это служит доказательством того, что ученым все же удалось создать первый действующий временной кристалл.

В настоящее время очень тяжело придумать вариант практического использования данного достижения. Исследования в направлении неравномерных фаз состояния материи находятся только на самой ранней стадии, но ученые считают, что нечто подобное в будущем может быть использовано для хранения и передачи информации, в области квантовых вычислений и в некоторых других областях, о которых мы, возможно, еще не имеем сейчас ни малейшего представления.