Могат ли редът и хаосът да съществуват едновременно? Учени откриха нова фаза на времето

Изследователи от Калифорнийския университет в Бъркли за първи път експериментално са наблюдавали нов фазов режим на материята във времето. Те го нарекоха кристално рондо във времето по аналогия с музикалната форма, при която повтаряща се тема се редува с вариации. Научната разработка е публикувана в списание Nature Physics.

Същността на откритието се състои в това, че системата е успяла да придаде едновременно две противоположни характеристики. В определени моменти от измерванията тя се е държала по строго периодичен и подреден начин, като обикновен времеви кристал. Между тези моменти състоянието ѝ е могло да се променя произволно и това да представлява контролиран безпорядък. Това изследователите наричат rondeau order. Той показва, че едновременно във времето могат да съществуват както дългосрочен ред, така и краткосрочни колебания.

Лео Мун, един от авторите на статията, обяснява, че идеята им е дошла от изкуството и природата. Простите форми често са изградени на базата на повторения. По-сложните музика и поезия добавят вариации върху монотонен фон. Аналогични неща са добре познати и при обикновените кристали. В леда кислородните атоми образуват строга решетка, докато водородните ядра могат да бъдат подредени произволно. Във времевите кристали от последните години симетрията на времето се нарушава и системата продължава да осцилира с една и съща честота. Досега обаче проучванията на непериодичния ред във времето се отнасяха главно до детерминирани последователности като квазикристалите. Новият експеримент е първият, който съчетава стробоскопична периодичност и контролиран шум.

За да реализират фазата, учените са използвали ядрените спинове на изотопа въглерод-13 в диаманта като квантов симулатор. Спиновете в подобен кристал са разположени на случаен принцип и си взаимодействат чрез далечни диполно-диполни връзки. Първоначално те е трябвало да бъдат силно поляризирани. За тази цел са използвани NV-дефектите в диаманта. Те са били осветени с лазер и след това чрез микровълнови импулси към околните ядрени спинове е била прехвърлена получената поляризация. В рамките на 60 секунди поляризацията се увеличила около хиляда пъти в сравнение с нормалното топлинно равновесие. Това дава достатъчно силен сигнал, който може да бъде проследен за дълго време.

След това към системата е приложена сложна последователност от микровълнови импулси. Тя е включвала защитни импулси за спиново заключване и специално разпределени импулси за обръщане на поляризацията. Последователността е частично случайна и все пак установява желаната структура. Управлението се е осъществявало чрез генератор на произволни форми на вълната с много голяма памет. По време на един от експериментите устройството е създало повече от 720 различни импулса. Именно това контролирано, но не напълно периодично възбуждане е довело до появата на така наречения от тях „рондов ред“.

По време на измерванията спиновете неизменно се обръщат в точно определени моменти. Това е вид закономерно поведение, което обикновено се смята за признак на времеви кристал. Но между тези моменти поляризацията се е държала хаотично и не се е подчинявала на простата закономерност. Тази съвместимост на прогнозируем дълговременен ред и кратки случайни участъци е основният признак на новата фаза. Авторите посочват честотния анализ като решаващо доказателство. Обикновеният кристал с дискретно време дава един-единствен остър връх в спектъра. Времевият кристал с рондо дава изгладен разпределен спектър по всички честоти. Това е най-очевидният аргумент, че в системата едновременно присъстват ред и безпорядък.

Друг любопитен резултат е, че изследователите са успели да кодират информация във времевата структура на самия безпорядък. Те уловили такава последователност от импулси, при която в динамиката на спиновете била записана фразата от заглавието на статия с дължина повече от 190 знака. В този случай данните се съхраняват не в пространственото разположение на елементите, а във времето. В подходящия момент спинът сочи нагоре или надолу и това задава бит. Авторите признават, че тази технология все още не е пряко приложима. Но идеята, че непериодично контролираното задвижване може едновременно да поддържа дълготраен ред и да носи полезна информация, изглежда обещаваща.

Според учените диамантът с ядрени въглеродни спинове е удобен за такива експерименти. Самият материал е химически стабилен. Той реагира слабо на температурата. Той добре предпазва спиновете от външни шумове. Това позволява да се наблюдава еволюцията на системата в продължение на дълго време. В техния експеримент новият времеви ред се е запазил повече от четири секунди и е издържал повече от 170 периода. Като променяли параметрите на управлението, изследователите построили фазова диаграма на стабилността и показаха, че продължителността на живота и нагряването на системата се подчиняват на предвидените закони.

В заключение авторите отбелязват, че същият експериментален подход вече им е позволил да реализират други сложни режими на еволюция във времето. Включително такива с детерминирани непериодични последователности като Туе Морз и Фибоначи. Това означава, че областта на неравновесните времеви фази се оказва по-широка от класическите кристали на дискретното време. Като следваща стъпка екипът разглежда алтернативни материали, като например кристали, легирани с пентацен, при които протонните спинове са по-чувствителни. Изследователите не изключват, че контролираният безпорядък може да се използва в квантовите сензори или в квантовата памет, при която се разчита не на пространството, а на стабилни структури във времето.