Обнаружен кристалл времени, открывающий новый способ управления временем
Кристалл времени, бьющийся в ритме как порядка, так и хаоса, открыл новый способ, с помощью которого материя может удерживать время. Исследование с рузальтатами исследования было опубликовано в журнале Nature Physics.
Новые эксперименты продемонстрировали существование кристалла времени рондо – кристалла времени, который повторяется во времени, но никогда не повторяется совершенно одинаково. В краткосрочной перспективе это приводит к хаосу, но в более длительной – к порядку.
«В этой работе мы раскрываем существование новых типов временного порядка, возникающих из-за непериодических, но структурированных влечений», — пишет группа физиков под руководством Лео Джун Иль Муна из Калифорнийского университета в Беркли и Пола Шиндлера из Института физики сложных систем Общества Макса Планка в Германии. «Наши эксперименты показывают, что нарушение периодичности влечения может привести к появлению новых экзотических форм частичного временного порядка».
Кристаллы времени, впервые предсказанные американским физиком-теоретиком Фрэнком Вильчеком в 2012 году и впервые обнаруженные в 2016 году, привносят дополнительную сложность в структурированную атомную матрицу, из которой состоят обычные твердые тела.
Кристаллические материалы, такие как алмаз, кварц и соль, состоят из трёхмерных атомных решёток, в которых расположение атомов повторяется. Любые участки решётки, наложенные друг на друга, будут совпадать, но только при идеальном наложении.
Кристалл времени описывает движение частиц через последовательности, не определяемые каким-либо внешним толчком, что нарушает ожидаемый поток. Частицы колеблются в пределах своих самых низких энергетических состояний с повторяющимся временным шаблоном; этот шаблон также может быть идеально наложен, подобно пространственному расположению атомов в кристалле.
Временной квазикристалл — это такой кристалл, в котором колебания атомов структурированы, но не повторяются, как мозаика Пенроуза — узор в размерном пространстве, который никогда не повторяется полностью, но все же следует набору правил.
По мнению Муна и его коллег, кристалл временного рондо — это еще одна версия, демонстрирующая как порядок, так и беспорядок, повторяющаяся и не повторяющаяся, как музыкальная форма, известная как рондо.
«Модель, включающая повторяющуюся тему (здесь стробоскопический порядок), которая чередуется с контрастной вариационной темой (здесь кратковременный временной беспорядок), известна в классической музыке как рондо», — пишут исследователи. «Возможно, одним из самых известных примеров рондо в музыке является «Rondo alla Turca» Моцарта (Турецкий марш); поэтому мы называем этот тип временного порядка порядком рондо».
Исследователи создали свой кристалл времени, используя пустоты атомного масштаба, или вакансии, в алмазе. Эти вакансии представляют собой узлы решётки, где должен находиться атом, но их там нет. Это называется азотно-вакансионным центром, где атом азота находится рядом с пустым местом.
Используя лазеры для возбуждения центров азотных вакансий, исследователи гиперполяризовали ядерные спины углерода-13 в алмазе. Затем программируемый генератор сигналов произвольной формы пропускал спины через точно заданные последовательности импульсов, варьирующиеся от периодических до случайных.
Группа ученых тщательно отслеживала сотни так называемых циклов возбуждения или лазерных импульсов и обнаружила, что иногда временные кристаллы колебались более 4 секунд, прежде чем затухнуть.
Однако за эти несколько секунд исследователи заметили, что, несмотря на беспорядок в каждом цикле движения, общее состояние временного кристалла повторялось в начале каждого цикла. При однократном исследовании за цикл движения система демонстрировала идеальный порядок, подобно тому, как идеально синхронизированный стробоскоп может запечатлеть повторяющийся узор в серии изображений на вращающемся колесе.
Затем исследователи перешли на новый уровень эксперимента. Чтобы продемонстрировать управляемость, команда даже закодировала текст – «Экспериментальное наблюдение кристалла-рондо времени. Временной беспорядок в пространственно-временном порядке» – непосредственно в хронометраж импульсов, используя стандарт ASCII.
Практического применения этому нет, по крайней мере пока; но это открывает некоторые возможности на будущее.
«Наши эксперименты, — пишут исследователи, — открывают многообещающее новое направление в исследовании временного порядка, демонстрируя долговременное стабильное сосуществование дальнего временного порядка и микромоторного беспорядка в коротких временных масштабах».