Исследователи впервые создали временной кристалл с помощью вибраций

Обычные кристаллы (например, кристаллы поваренной соли) образуют устойчивую трехмерную решетку, которая может со временем расти. Временные кристаллы меняются периодически. Они постоянно возвращаются в свое исходное состояние, двигаясь по замкнутому циклу — подобно маятнику, который колеблется вечно.

Благодаря своим уникальным свойствам они могут быть использованы в самых разных областях: от квантовых компьютеров и атомных часов до высокочувствительных сенсорных систем. Однако их создание — сложнейшая задача, которая до сих пор решалась преимущественно на квантовом уровне. Теперь же международной группе исследователей впервые удалось создать временной кристалл из метаматериала.

Для этого был разработан метаматериал, изготовленный с помощью 3D-печати. ​​Метаматериал — это искусственный материал, свойства которого определяются не химическим составом, а его структурой. Конструкция состоит из 37 напечатанных элементов, каждый из которых включает три эластичных шестиугольника, оснащенных датчиками, приводами (актуаторами) и микроконтроллерами. Эти элементы были объединены в структуру, напоминающую пчелиные соты.

Систему приводят в движение однократным импульсом, вызывающим вибрацию. Поначалу вибрация создает хаос, поскольку все отдельные компоненты колеблются по-разному. Однако благодаря взаимосвязи элементов они начинают влиять друг на друга: когда один шестиугольник сжимается, соседний с ним шестиугольник (расположенный по часовой стрелке) также сжимается. В то же время соседний шестиугольник, расположенный против часовой стрелки, — расширяется. Со временем колебания синхронизируются. Небольшие хаотические движения превращаются во всё более крупные волны. Исследователи называют этот процесс «укрупнением волн» (англ. wave coarsening). В результате возникает единый устойчивый ритм — так появляется временной кристалл.

Для того чтобы система функционировала в долгосрочной перспективе, необходим внешний источник питания, но не требуется задающий ритм генератор (тактовый генератор). Примечательно, что система сохраняет свою целостность, несмотря на наличие шумов и внешних помех. Согласно результатам моделирования, теоретически такая система может оставаться стабильной даже при бесконечно больших размерах.

Помимо сотовидной структуры, исследователи протестировали и другие формы, например, кольцо. Принцип сработал и там, однако математически существование временного кристалла в данном случае подтверждено не было.

Кроме того, для ученых стало неожиданностью то, что процесс укрупнения волн можно остановить. Благодаря трению длинные волны подавлялись и не разрастались до бесконечности. Вместо этого движение перестраивалось — например, возникали непрерывные волны, распространяющиеся в определенном направлении. Это означает, что материал можно побудить к совершению конкретных движений в зависимости от внешних условий.

Если научиться целенаправленно управлять этими условиями, можно будет контролировать и сам материал. Это может найти применение, например, в робототехнике. Роботы, созданные из такого материала, могли бы самостоятельно выполнять определенные движения — без необходимости в дополнительном компьютерном чипе, который задавал бы им программу действий. Впрочем, пока речь идет лишь о фундаментальных исследованиях.

Источник: Universiteit Leiden