Учёные создали левитирующие временные кристаллы, бросающие вызов закону Ньютона
Исследователи из Нью-Йоркского университета впервые продемонстрировали новый тип временного кристалла, способного левитировать на небольшой подушке из звуковых волн. Поразительно, но поведение этой квантовой системы, по-видимому, бросает вызов одному из фундаментальных законов классической физики — третьему закону Ньютона.
Временные кристаллы представляют собой коллекции частиц, демонстрирующие повторяющиеся колебания, подобные тиканью часов. Ранее существовавшие лишь в теории, за последнее десятилетие они были реализованы в различных экспериментах, однако практическое применение таких систем всё ещё остаётся областью будущих исследований. Учёные полагают, что временные кристаллы могут найти применение в квантовых вычислениях, системах хранения данных и других передовых областях.
Новизна работы нью-йоркской команды физиков под руководством профессора Дэвида Грира заключается в создании необычайно простой и наглядной системы. В отличие от многих своих квантовых аналогов, эти временные кристаллы можно увидеть невооружённым глазом. Они состоят из левитирующих полистирольных шариков, подвешенных в воздухе с помощью стоячих звуковых волн, создаваемых устройством, которое умещается на ладони.
Как объясняет аспирантка Миа Моррелл, проводившая исследование вместе со студенткой Лилой Эллиотт, звуковые волны воздействуют на частицы, подобно тому как волны на поверхности пруда воздействуют на плавающий лист. Именно это позволяет преодолевать силу тяжести. Однако ключевое открытие состоит в том, что взаимодействия между левитирующими частицами, опосредованные рассеянными звуковыми волнами, не являются взаимными. Более крупные частицы рассеивают больше звука и оказывают большее влияние на более мелкие, что приводит к дисбалансу сил.
Моррелл приводит аналогию с двумя паромами разного размера, приближающимися к причалу. Каждый создаёт волны, которые толкают другой, но из-за разницы в размерах воздействие не является равным. Это нарушает принцип третьего закона Ньютона, гласящего, что действию всегда есть равное и противоположное противодействие.
В результате такого несбалансированного взаимодействия шарики в эксперименте начинают спонтанно колебаться. Эти ритмичные, повторяющиеся движения создают своеобразное «тикание», формируя классический временной кристалл. Исследователи экспериментально и теоретически продемонстрировали, что их система из двух левитирующих частиц может пребывать в четырёх различных динамических состояниях, два из которых являются активными устойчивыми состояниями, нарушающими симметрию в пространстве и времени.
По словам профессора Грира, эта простая система не только открывает новые возможности для изучения квантовых явлений, но и даёт более глубокое понимание биологических процессов, таких как циркадные ритмы, в которых также могут наблюдаться невзаимные взаимодействия.
Статья была в журнале Physical Review Letters.