Физика в шоке: открыты кристаллы, игнорирующие время

Последняя инновация в области кристаллов времени может расширить известные границы квантовой механики.

Физики создали новый тип кристалла времени, который может помочь подтвердить некоторые фундаментальные теории о квантовых взаимодействиях.

Стандартный кристалл времени — это новая фаза материи, демонстрирующая вечное движение без затрат энергии. По словам Чун Цзу, доцента физики в Вашингтонском университете в Сент-Луисе и одного из ведущих исследователей команды, кристалл времени напоминает традиционный кристалл.

Однако, в отличие от традиционного кристалла, который повторяет узор в физическом измерении пространства, кристалл времени повторяет узор движения, перестраивая свои атомы одинаковым образом с течением времени, — сказал Цзу. Это заставляет кристалл времени вибрировать с заданной частотой.

Видео от DGL.RU

Теоретически кристалл времени способен бесконечно циклически повторять один и тот же узор, не требуя дополнительной энергии — подобно часам, которые никогда не нужно заводить. Однако в действительности кристаллы времени невероятно хрупки и поэтому довольно легко поддаются воздействию окружающей среды.

Хотя кристаллы времени существуют с 2016 года, команда ученых достигла чего-то беспрецедентного: они создали новый тип кристалла времени, названный временным квазикристаллом. Квазикристалл — это твердое тело, в котором, как и в обычном кристалле, атомы расположены определенным, неслучайным образом, но без повторяющегося узора.

Это означает, что, в отличие от стандартного кристалла времени, который повторяет один и тот же узор снова и снова, временной квазикристалл никогда не повторяет способ расположения своих атомов. Поскольку повторения нет, кристалл вибрирует на разных частотах. Как заявляют исследователи в своих выводах, опубликованных в журнале Physical Review X, временные квазикристаллы «упорядочены, но, по-видимому, не периодичны».

Как создать квазикристалл

Для создания этих новых временных квазикристаллов исследователи начали с миллиметрового кусочка алмаза. Затем они создали пустоты в структуре алмаза, бомбардируя его мощными пучками азота. Азот вытеснил атомы углерода внутри алмаза, оставив после себя пустые атомные камеры.

Природа не терпит пустоты, поэтому электроны быстро устремились в эти пустые пространства и немедленно начали взаимодействовать с соседними частицами на квантовом уровне. Каждый временной квазикристалл представляет собой сеть из более чем миллиона таких пустых пространств внутри алмаза, хотя каждое из них имеет размер всего в один микрометр (одна миллионная метра).

«Мы использовали микроволновые импульсы, чтобы запустить ритмы во временных квазикристаллах», — говорится в заявлении Бинтянь Е, исследователя из Массачусетского технологического института и соавтора статьи. — «Микроволны помогают создать порядок во времени».

Потенциальные применения

Одним из важнейших результатов исследования команды является то, что оно подтверждает некоторые основные теории квантовой механики, по словам Цзу. Однако временные квазикристаллы могут иметь практическое применение в таких областях, как точное хронометрирование, квантовые вычисления и технология квантовых датчиков.

Для датчиков хрупкость и чувствительность кристалла на самом деле являются преимуществом; поскольку они настолько чувствительны к факторам окружающей среды, таким как магнетизм, их можно использовать для создания чрезвычайно точных сенсоров.

Для квантовых вычислений ключевым является потенциальное свойство вечного движения этого материала. «Они могли бы хранить квантовую память в течение длительных периодов времени, по сути, как квантовый аналог оперативной памяти», — сказал Цзу. — «Мы еще далеки от такой технологии, но создание временного квазикристалла — это решающий первый шаг».

Математика хаоса: как формулы объясняют, почему толпы сходят с ума