Просторово-часові кристали – абсолютно нова форма матерії

У більшості людей поняття “кристал” асоціюється з алмазами, напівдорогоцінним камінням або крупинками звичайної солі. Всі названі вище речі мають одну загальну властивість – елементи їх впорядкованої структури повторюються в просторі незліченна кількість разів.

Але на світі можуть існувати і більш екзотичні кристали, наприклад такі, структура яких повторюється не тільки в просторі і в часі. Можливість існування таких кристалів є предметом гарячих суперечок з боку вчених, але Норману Яо (Norman Yao), фізику з Каліфорнійського університету в Берклі, свого часу вдалося створити точний опис принципів “роботи” просторово-часових кристалів , знайти способи їх створення і вимірювання основних параметрів. Більш того, взявши за основу роботу Яо, дві незалежні групи вчених домоглися успіхів у створенні таких кристалів, які, безумовно, можна назвати ще однією формою матерії.

Установки, створені вченими з університету Меріленда і Гарвардського університету, для створення просторово-часових кристалів використовують різні принципи. Але цікавий той факт, що в розробці і створенні обох установок брав безпосередню участь і Норман Яо. “Структура просторово-часових кристалів повторюється в часі через те, що їх постійно” штовхають “, змушуючи коливатися” – розповідає Яо, – “Проривом в даному випадку є не саме створення тимчасових кристалів, а те, що вони є першими зразками матерії , нездатною самостійно прийти в стан нерухомого рівноваги “.

“Все це є новим станом матерії, і цей стан відрізняється від усіх відомих нам інших станів тим, що вона не може перейти до рівноваги” – розповідає Яо, – “До останнього часу вчені досліджували в основному лише рівноважні стану матерії, наприклад, метали і ізолятори. Зараз же ми входимо в зовсім іншу область, яка може піднести нам багато нового, несподіваного і корисного, наприклад, для області квантових обчислень “.

Просторово-часової кристал, створений групою Кріса Монро (Chris Monroe) з університету Меріленда, складається з 10 іонів ітербію, які взаємодіють один з одним через обертання (спини) їх електронів. Ця взаємодія родинно взаємодії між квантовими бітами (кубитами), які є базовими блоками обробки інформації у квантових комп’ютерах. Для того, щоб не допустити переходу цієї системи в рівноважний стан, іони піддаються впливу лазерного світла, який впорядковує спин електронів цих іонів. Світло другого лазера використовується для створення в системі магнітного поля певної конфігурації. Оскільки всі іони пов’язані один з одним, то під впливом вищезазначених факторів система починає обертатися, повертаючись до певного пункту, через строго певні проміжки часу.

З точки зору квантової механіки, електрони, що входять до складу системи, можуть сформувати тимчасові кристали, які не відповідають поняттю традиційної просторової симетрії традиційних кристалів, що складаються з наборів атомів одного або декількох типів. Таке порушення симетрії матеріалу призводить до виникнення у нього ряду унікальних і стабільних властивостей. Наприклад, колебательно-обертальний рух ланцюжка іонів ітербію, що здійснюється під впливом лазерного світла і магнітного поля, призводить до того, що часовий кристал повертається у вихідне положення два рази за один оборот, то, чого не може відбутися з точки зору системи, що підкоряється тільки законам нормальної фізики.

“Порушення тимчасової симетрії такими кристалами є одним з найдивовижніших їх властивостей” – розповідає Яо, – “Не дивлячись на наявність задає має певний період коливань, світла лазера в даному випадку, система синхронізується так, що частота коливань системи стає вище частоти коливань генератора, що задає “.

Група з Гарвардського університету використовувала дещо інший підхід до створення просторово-часових кристалів. Їх кристал був складений з азотних вакансій в кристалічній решітці алмазу, місць, що виникають тоді, коли атом вуглецю замінюється атомом азоту. Параметри і багато з унікальних властивостей створених кристалів обох типів в точності повторили один одного. “Практично ідентичні результати, отримані за допомогою кардинально різних систем, вказують на те, що просторово-часові кристали є новою формою матерії” – розповідає Філ Ріхерм (Phil Richerme), фізик з університету Індіани, – “Наші спільні експерименти є доказом того, що “ломка” часової симетрії може статися в будь-якій сфері навколишнього нас світу. І це відкриває нам кілька нових шляхів для досліджень “.

І на завершення слід зазначити, що поняття просторово-часових кристалів було запропоновано в 2012 році Френком Вільчеком (Frank Wilczek), фізиком з Массачусетського технологічного інституту і Лауреатом Нобелівської премії в галузі фізики. У минулому році вчені з Прінстонського університету і Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі теоретично довели можливість існування таких кристалів. А робота Нормана Яо, груп з університету Меріленда і Гарвардського університету стала першим “містком” зв’язав воєдино теорію і практику.