Физика

В детском наборе по выращиванию кристаллов нашли свойства кристалла времени

03 мая 2018 | 11:40

Концепцию кристаллов времени нередко используют в научной фантастике, но они вполне реальны. Как показывают новые исследования, некоторые из них даже могут оказаться в вашем доме. Так, ученые из Йельского университета (США) заметили свойства кристалла времени в обыкновенном детском наборе по выращиванию кристаллов.

Для обыкновенных кристаллов характерно закономерное расположение атомов: они образуют решетчатую структуру. Эти повторяющиеся решетки могут отличаться по конфигурации, их симметрия может нарушаться в нескольких ограниченных направлениях, но это происходит исключительно пространственно.

Кристаллы времени другие: в 2012 году профессор Массачусетского технологического института предложил идею кристалла, атомы которого повторяются во времени, двигаясь вперед и назад «тикающим» движением, которое блокируется на определенной частоте. Невооруженным глазом они выглядят как обычные кристаллы, но их атомы осциллируют — сначала вращаются в одном направлении, а затем, подвергаясь воздействию электромагнитного импульса, в обратном.

Существование кристаллов времени впервые было подтверждено в 2016 году, когда физики из Университета Мэриленда (США) создали их в лабораторном эксперименте. Кристалл представлял собой кольцо из атомов иттербия, каждый из которых имел собственный спин (момент импульса) и взаимодействовал с соседями. Возмущая систему с помощью лазера, физики смогли изменить спины некоторых атомов, что привело к осцилляции системы. Но частота собственных осцилляций атомов не зависела от частоты колебаний, заданной лазером, и физики пришли к выводу, что такое их поведение является признаком кристалла времени.

Открытие побудило исследователей из Йельского университета заняться поиском уникальных признаков кристалла времени в других твердых телах. Первым успехом стали кристаллы моноаммонийфосфата (аммофоса), которые растут так быстро, что часто используются в детских наборах.

Раньше считалось, что сигнатуры кристалла времени могут возникать только в более неупорядоченной атомной среде. Однако подвергнув кристаллы моноаммонийфосфата ядерному магнитному резонансу, команда обнаружила внутри упорядоченного пространственного кристалла скрытый квантовый порядок — четкие сигнатуры кристалла времени.

Кристаллы времени имеют большой потенциал для практического применения. Их можно использовать для улучшения технологии атомных часов — сложных часов, обеспечивающих максимально точное время, используя в качестве периодического процесса собственные колебания, связанные с атомными или молекулярными процессами. Также они могли бы улучшить системы навигации, гироскопы и GPS.

Возможность того, что в обычном кристалле могут происходить процессы, характерные для кристалла времени, захватывают. Но работа при этом представляет собой большую загадку. Если кристаллы времени могут возникать в упорядоченных пространственных компоновках, физикам необходимо выяснить, как это происходит — и почему для большинства обычных кристаллов это не характерно.

Исследование изложено в двух статьях, появившихся в журналах Physical Review Letters и Physical Review B.