Ученые впервые проследили за тем, как взаимодействуют две экзотические структуры, которые физики называют темпоральными кристаллами или "кристаллами времени". Результаты исследования опубликовал научный журнал Nature Materials. "То, что мы научились управлять взаимодействиями двух темпоральных кристаллов, само по себе большое достижение. До нас никому не удавалось не только управлять ими, но даже проследить за формированием двух таких объектов в одной и той же системе", – рассказал один из авторов работы, физик из Ланкастерского университета (Великобритания) Самули Аутти.
Темпоральные кристаллы – это необычные квантовые структуры, которые в 2012 году предсказал нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек. Внутри этих кристаллов, как предположил ученый, законы физики порождают необычные периодические структуры не в пространстве, как в обычных кристаллах, а во времени. В соответствии с расчетами Вильчека темпоральные кристаллы – это экзотически устроенная материя, которая никогда не может прийти в состояние термодинамического равновесия. Благодаря этому при наблюдении за таким кристаллом наблюдателю кажется, что он "движется", хотя в реальности он находится в состоянии покоя.
"Движение" подобной квантовой структуры будет составлено из множества дискретных элементов, которые повторяются во времени, подобно тому, как атомы внутри обычных кристаллов уложены в повторяющийся узор. Долгое время физики считали, что темпоральные кристаллы не могут существовать. Однако четыре года назад их создали сразу две группы ученых, экспериментируя с атомами редкоземельного металла иттербия и так называемыми "дефектными алмазами". Физики под руководством Владимира Ельцова из Университета Аалто (Финляндия) впервые смогла не только создать сразу два "кристалла времени", но и заставить их взаимодействовать между собой. В качестве среды для "выращивания" подобных квантовых структур ученые использовали жидкий гелий-3.
Они охладили гелий-3 до температур, близких к абсолютному нулю, и перевели его в сверхжидкое состояние. Затем специалисты создали два кристалла времени, поместив сосуд с гелием между двумя мощными магнитами. Мощность и конфигурацию вырабатываемого ими в качестве среды для "выращивания" подобных квантовых структур поля физики подобрали таким образом, что в толще жидкого гелия и у его поверхности возникло два скопления так называемых магнонов – квазичастиц, которые отвечают за перенос магнитных взаимодействий.
В таких условиях, как показали наблюдения физиков, созданные ими скопления магнонов ведут себя подобно "кристаллам времени". В частности, внутри этих частей сосуда спонтанно возникают магнитные колебания, которые по меркам мира частиц существуют очень долго, около трех секунд, и не зависят по своим характеристикам от внешних процессов. Ельцов и его коллеги проследили за тем, как взаимодействовали эти темпоральные кристаллы. Ученые наблюдали за тем, что происходило с характером и направлением движения волн внутри них. Как оказалось, "кристаллы времени" взаимодействовали друг с другом, обмениваясь магнонами, в результате чего внутри них появлялись новые колебания, направленные уже в противоположную сторону.
Подобные взаимодействия, как пишут Ельцов и его коллеги, открывают дорогу для практического использования темпоральных кристаллов, в том числе для повышения точности атомных часов и создания кубитов – ячеек памяти и вычислительных блоков квантовых компьютеров, которые могут работать при комнатных температурах. Вдобавок опыты с взаимодействующими "кристаллами времени" помогут физикам узнать, как гравитационные поля влияют на поведение квантовых объектов, а также разгадать многие другие загадки современной физики, которые пока нельзя изучать экспериментальным путем.
