Исследователи создали кристалл времени с беспрецедентной продолжительностью жизни, в 10 миллионов раз превышающей предыдущий рекорд
Исследователям удалось продлить время жизни кристаллов времени на 40 минут, что в 10 миллионов раз больше, чем в предыдущих экспериментах. Это значительное достижение в области квантовой физики, наиболее убедительное подтверждение феномена, согласно которому периодическая повторяемость структуры кристаллов касается как пространства, так и времени.
Кристаллы характеризуются периодическим и повторяющимся структурным расположением атомов в пространстве. Такое расположение придает им характерный гладкий вид, подобно поверхности ограненных драгоценных камней. Хотя периодическое расположение проявляется в пространстве, Фрэнк Вильчек, физик из Массачусетского технологического института (MIT) и лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года, в 2012 году предположил, что оно может касаться и времени, в виде кристаллов времени.
По мнению Вильчека, можно создать темпоральные кристаллы, состоящие из групп частиц, которые периодически движутся и возвращаются в исходное состояние, подобно осциллятору. Это можно сделать, даже если система не испытывает соответствующих периодических помех, которые могли бы вызвать это явление. Однако это, конечно, отличается от вечного двигателя (движения, которое может продолжаться бесконечно долго без каких-либо внешних затрат энергии или преобразования материи), поскольку кристалл времени теоретически не излучает никакой энергии.
Считавшееся до недавнего времени невозможным, это явление было предметом споров в течение нескольких лет, пока в 2017 году исследователям не удалось провести эксперимент с ним. Однако вопреки первоначальной теории, для сохранения этих кристаллов необходимо было подвергать их периодическому временному возбуждению.
Только в 2022 году в конденсате Бозе-Эйнштейна (состояние вещества, образованное бозонами при достаточно низкой температуре) был получен кристалл, периодически колеблющийся во времени и не зависящий от времени возбуждения. Впоследствии другим исследователям удалось смоделировать это с помощью мощных квантовых компьютеров. Однако полученные временные кристаллы длились всего от нескольких миллисекунд до сотни секунд.
В своем новом исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Physics, ученые из Технического университета Дортмунда (Германия) открыли самый устойчивый на сегодняшний день временной кристалл. В частности, им удалось увеличить время колебаний (или время жизни) кристалла на поразительную величину.
Рекордное время жизни — 40 минут
Для создания своего кристалла дортмундские физики выбрали образцы арсенида индия и галлия, в которых ядерные спины выступают в качестве резервуара индукции колебаний для кристалла времени. Спин — это неотъемлемая квантовая характеристика компонентов атома, такая же, как масса и заряд. Например, ядерный магнитный резонанс — это свойство некоторых атомных ядер, которые имеют ядерный спин и помещены в магнитное поле. В случае с временным кристаллом взаимодействие между спинами ядра и электронов вызывает колебания, напоминающие маятник.
Точнее, кристалл постоянно освещается точно рассчитанным пучком света, так что ядерные спины поляризуются в результате взаимодействия со спинами электронов. Поляризация спина — это мера степени выравнивания спина с заданным направлением, которое может быть вызвано магнитным или электрическим полем. «Именно эта поляризация ядерного спина спонтанно порождает колебания, эквивалентные временному кристаллу«, — поясняют исследователи в пресс-релизе Технического университета Дортмунда.
В своих экспериментах исследователи обнаружили, что полученные колебания не имеют признаков затухания даже спустя 40 минут — в 10 миллионов раз дольше, чем это было возможно ранее. Это также позволяет предположить, что потенциально феномен может сохраняться в течение нескольких часов. «Можно варьировать период кристалла в широких пределах, систематически изменяя условия эксперимента«, — предполагают специалисты.
Можно также изменить условия таким образом, чтобы кристалл плавился и терял свою периодичность. Тогда будет интересно изучить, как такой тип хаотического поведения может сохраняться в течение длительного времени.