Физици счупиха рекорд в изследването на времеви кристали

Физици от Техническия университет в Дортмунд, Германия поставиха нов рекорд в изследването на времеви кристали. Те създадоха кристал, който издържа поне 40 минути – това е 10 милиона пъти повече от предишния рекорд.

Екипът, ръководен от д-р Алекс Грейлих е използвал специален кристал, изработен от индий-галиев арсенид, в който ядрените спинове са действали като резервоар за времевия кристал. Лазер непрекъснато осветявал кристала, така че чрез взаимодействие с електронните спинове се образувала поляризация на ядрените спинове.

Тази ядрена спинова поляризация спонтанно генерира осцилации, еквивалентни на времеви кристал. Екипът може да контролира честотата и амплитудата на тези колебания чрез промяна на мощността на лазера и магнитното поле.

Екипът също така изследва областите, в които времевият кристал се „стопява“, т.е. губи своята периодичност. Те установили, че тези области проявяват хаотично поведение, което може да бъде анализирано с помощта на теоретични инструменти. За първи път такива инструменти се прилагат за изследване на динамиката на времеви кристали.

Резултатите на екипа са публикувани в Nature Physics. Те потвърдиха съществуването и устойчивостта на времевите кристали и откриха нови пътища за по-нататъшни изследвания. Времевите кристали биха могли да имат потенциални приложения в квантовите компютри, квантовата метрология и квантовата информация, както и фундаментални последици за нашето разбиране на физиката.

Какво представляват времевите кристали?

Представете си кристал, който има правилна структура не само в пространството, но и във времето. Кристал, който ритмично променя физическите си свойства без никакво външно въздействие. Кристал, който не се подчинява на законите на термодинамиката и остава във вечно движение.

Това е концепцията за времеви кристал – теоретична форма на материя, предложена за първи път от нобеловия лауреат Франк Вилчек през 2012 година. Вилчек, физик в Масачузетския технологичен институт (MIT) се интересува дали може да има аналог на пространствените кристали, които са изградени от атоми, подредени в повтаряща се решетка.

От друга страна, времевите кристали са много по-неуловими и екзотични. Те изискват система, която нарушава симетрията на пренасяне на времето, което означава, че поведението ѝ не е еднакво в различните моменти. Например махало, което се люлее ту по-бързо, ту по-бавно без видима причина. Или пък магнит, който обръща полярността си на равни интервали от време.

Такава система би нарушила и втория закон на термодинамиката, който гласи, че ентропията или безпорядъкът винаги се увеличава в затворена система. Времевият кристал би могъл да поддържа реда и периодичността си безкрайно дълго, без да губи енергия или топлина в заобикалящата го среда.

Как могат да бъдат създадени времеви кристали?

Идеята за времеви кристали предизвика много спорове и скептицизъм сред физиците, които се съмняваха, че такова явление може да бъде наблюдавано. Някои дори твърдяха, че това е невъзможно или че ще изисква фина настройка на параметрите до нереална степен.

През последните няколко години обаче, няколко експеримента показаха, че времевите кристали са възможни, поне в модифициран смисъл. Тези експерименти включваха системи, които не бяха изолирани, а по-скоро задвижвани от външна сила с определена честота, например лазер или магнитно поле.

Изненадващо, тези системи реагираха с различна честота, обикновено два пъти по-дълга, създавайки несъответствие между входа и изхода. Това показвало, че системите спонтанно са развили нарушаване на симетрията на транслация на времето и по този начин – времево кристално поведение.

Първото експериментално доказателство за това явление беше съобщено през 2017 година. Тогава бяха използвани две платформи: верига от уловени йони и диамант с азотно-ваканционни центрове. И двете системи проявиха признаци на времеви кристал под въздействието на периодична движеща сила.

Тези системи обаче все още бяха далеч от първоначалната визия на Вилчек, който си представяше времеви кристал, който ще съществува в равновесие без никакви външни смущения.

Най-близкото до този сценарий е постигнато през 2022 година. С помощта на кондензат на Бозе-Айнщайн – състояние на материята, при което много атоми се държат като една квантова единица. Изследователите създадоха времеви кристал, който осцилира независимо без никаква времева модулация, като приложиха постоянно магнитно поле.

Кристалът обаче бе краткотраен, като издържа само няколко милисекунди, преди да се срине.