Физики впервые создали временной кристалл, видимый невооруженным глазом
Физики совершили новый прорыв в загадочной области временных кристаллов. Впервые был создан временной кристалл, который можно непосредственно увидеть невооруженным глазом, наблюдая за его мерцанием в виде массива неоновых полос. Создание этого материала может открыть целый мир новых технологических возможностей, включая новые средства защиты от подделок, генераторы случайных чисел, двумерные штрихкоды и оптические устройства.
Как отмечает физик Ханьцин Чжао из Университета Колорадо в Боулдере, эти кристаллы можно наблюдать непосредственно под микроскопом и даже, при особых условиях, невооружённым глазом. Временные кристаллы являются весьма новым и недавно открытым феноменом. Впервые предсказанные в 2012 году американским физиком-теоретиком Фрэнком Вильчеком, они изначально отвергались некоторыми учеными как концепция, нарушающая законы термодинамики. Однако в 2016 году команде американских физиков удалось впервые наблюдать их экспериментально.
Если обычные кристаллические материалы, такие как алмаз, кварц или соль, представляют собой трехмерные атомные решетки с частицами, повторяющимися в пространстве, то временной кристалл — это паттерн частиц во временном измерении. Иными словами, временные кристаллы повторяются не только в пространстве, но и во времени. Их частицы колеблются с периодичностью, которая повторяется таким образом, что ее также можно наложить. Критически важно, что это колебание нарушает временную симметрию, функционируя, казалось бы, вразрез с любыми ритмами в их окружающей среде.
Потенциал временных кристаллов как для изучения квантового поведения, так и для технологических применений, является чрезвычайно многообещающим. Именно поэтому ученые стремятся исследовать их свойства. Чжао и его коллега, физик Иван Смалюх из того же университета, создали свой временной кристалл из жидких кристаллов — того же материала, который используется в ЖК-дисплеях часов и телевизоров. Эти кристаллы состоят из стержнеобразных молекул, которые ведут себя и как жидкость, и как кристалл.
Исследователи поместили жидкий кристалл между стеклянными пластинами, покрытыми светочувствительным красителем. Когда на образец направили специальный свет, молекулы красителя поляризовались, то есть изменили свою ориентацию, оказывая давление на жидкий кристалл. Это давление создало в жидком кристалле особые деформации (дислокации), которые вступали во взаимодействие друг с другом в рамках сложного многоступенчатого процесса. В результате возникла устойчивая картина (или структура) движения, которая периодически повторялась в течение нескольких часов, даже в условиях изменяющегося освещения и температуры. Эти паттерны наблюдались в образце в виде ряби цветных полос.
Как отмечает Смалюх, всё рождается из ничего: достаточно просто посветить, и возникает целый мир временных кристаллов. Хотя результаты исследования соответствуют строгим требованиям для классификации объекта как временного кристалла, учёные подчёркивают, что существует обширное пространство для дальнейшего изучения их свойств в различных системах. Они полагают, что в процессе исследования проявлений временных кристаллов в разных режимах могут возникнуть новые наборы критериев.
Между тем, потенциальные практические применения, которые уже видны сейчас, представляют глубокий интерес. Как пишут Чжао и Смалюх, потенциальные технологические применения в оптических устройствах, генераторах фотонных пространственно-временных кристаллов, телекоммуникациях и разработке систем защиты от подделок могут ознаменовать начало захватывающей новой эры для временных и пространственно-временных кристаллов, в которой достижения фундаментальной науки будут двигать вперед технологический прогресс.
Исследование было опубликовано в журнале .