Временные кристаллы: как ученые воплотили в жизнь фантастическую идею, которая может перевернуть мир квантовых технологий

Кристаллы — это не только красивые украшения, но и удивительные объекты, которые поражают своей симметрией и упорядоченностью. Они состоят из атомов, расположенных в определенном порядке, который повторяется в пространстве. Но что, если такой порядок можно создать и во времени? Тогда мы получим нечто совершенно новое и необычное — временные кристаллы.

Эта идея была предложена в 2012 году американским физиком Франком Вильчеком, лауреатом Нобелевской премии по физике. Он предположил, что существуют системы, в которых одно из физических свойств периодически меняется во времени без внешнего воздействия. Например, электрический заряд или магнитный момент могут то увеличиваться, то уменьшаться, создавая временную симметрию. Такие системы называются временными кристаллами, потому что они подобны обычным кристаллам, только во времени, а не в пространстве.

Идея временных кристаллов была настолько привлекательной, что даже попала в кино. В фильме «Мстители: Финал» (2019) герои использовали временной кристалл, чтобы перемещаться в прошлое и изменить ход истории. Но насколько реальны временные кристаллы в нашем мире? Могут ли они существовать в природе или в лаборатории? И если да, то зачем они нужны и какие свойства они имеют?

В течение нескольких лет эти вопросы были предметом жарких споров и дискуссий среди физиков. Некоторые считали, что временные кристаллы противоречат основным законам термодинамики и невозможны в принципе. Другие утверждали, что они могут существовать при определенных условиях и даже предлагали способы их создания и наблюдения.

Первые экспериментальные доказательства временных кристаллов появились в 2017 году. Ученые смогли создать такие системы в двух разных типах материалов: в цепочке ионов иттрия и в алмазе с примесями азота. Они подвергли эти материалы периодическому возбуждению с помощью лазеров или магнитных полей и обнаружили, что в них возникают колебания с периодом, в два раза большим, чем период внешнего воздействия. Это означало, что системы нарушали симметрию времени и вели себя как временные кристаллы.

Однако эти эксперименты не были полностью соответствующими идее Вильчека, который представлял себе временные кристаллы как системы, которые колеблются во времени без всякого внешнего воздействия. Такие системы называются автономными временными кристаллами, и их существование было более сомнительным и спорным. Некоторые теоретики показали, что они могут быть реализованы в квантовых системах, которые находятся в состоянии низкой энергии, называемом основным состоянием. Но экспериментально это было очень сложно сделать.

Первый успешный эксперимент с автономным временным кристаллом был проведен в 2022 году в конденсате Бозе-Эйнштейна — особом состоянии вещества, в котором атомы ведут себя как одна большая волна. Ученые смогли создать в нем временной кристалл, который колебался с частотой около 10 герц, не завися от внешних условий. Однако этот кристалл жил всего несколько миллисекунд, что не позволяло изучить его подробно.

Новый прорыв в области временных кристаллов был сделан в 2024 году командой физиков из Технического университета Дортмунда. Они разработали специальный кристалл из арсенида индия и галлия, в котором ядерные спины играли роль резервуара для временного кристалла. Кристалл постоянно освещался светом, чтобы создать поляризацию ядерных спинов, которая затем самопроизвольно генерировала колебания. Эти колебания были эквивалентны временному кристаллу, который жил по крайней мере 40 минут, что в 10 миллионов раз дольше, чем в предыдущих экспериментах. Кроме того, ученые смогли менять период колебаний кристалла, а также наблюдать его переход в хаотическое состояние, когда он терял свою периодичность.

Эти результаты являются важным подтверждением существования временных кристаллов и открывают новые возможности для их изучения и применения. Временные кристаллы представляют собой новый класс квантовых материалов, которые могут иметь уникальные свойства, такие как высокая устойчивость к внешним помехам, невырожденные энергетические уровни, нелинейная динамика и т. д. Они могут быть использованы для создания новых типов квантовых датчиков, памяти, логических элементов и даже квантовых компьютеров. Они также могут помочь понять фундаментальные аспекты квантовой механики, такие как нарушение симметрии, квантовые фазовые переходы, квантовая термодинамика и т. д.