Учените създадоха ново състояние на материята. Какво е времеви кристал?

Някои от най-задълбочените прогнози в областта на теоретичната физика като гравитационните вълни на Айнщайн или Хигс бозона, са отнели десетилетия, за да се докажат експериментално. Но понякога дадена прогноза може да стане установен факт за удивително кратко време. Именно това се случи с „времевите кристали“ ‒ едно ново и странно състояние на материята, което беше теоретизирано, опровергано, преработено и най-накрая създадено само пет години след като беше предсказано за първи път през 2012 година.

Кристали като диаманта и кварца са изградени от атоми, подредени в повтарящ се модел в пространството. В тези нови кристали атомите също следват повтарящ се модел, но във времето. Поради това странно свойство един ден времевите кристали могат да намерят приложение в революционни технологии като квантовите компютри.

Историята на времевите кристали започва през 2012 г. с нобеловия лауреат Франк Вилцек от Масачузетския технологичен институт. Като теоретичен физик и математик Вилцек направи решаваща стъпка в прехвърлянето на едно ключово свойство на обикновените кристали, наричано разрушаване на симетрията, за да създаде идеята за времевите кристали.

За да разберем какво представлява разрушаването на симетрията трябва да си представим водата в течно състояние. В капката вода молекулите са свободни да се движат и могат да бъдат навсякъде в рамките на течността. Течността изглежда еднакво във всяка посока, което означава, че тя има висока степен на симетрия. Ако водата замръзне и се образува лед, обаче, силите на привличане между молекулите ги принуждават да се пренаредят в кристал. Тук молекулите са разположени на равни интервали. Но тази правилност означава, че кристалът не е толкова симетричен като течността. Затова казваме, че при нейното замразяване симетрията на течността е била разрушена.

Разрушаването на симетрията е една от най-дълбоките концепции във физиката. Тя стои зад формирането на кристалите, но се появява и в много други фундаментални процеси. Например известният механизъм на Хигс, който обяснява как субатомните частици придобиват маса, е процес на разрушаване на симетрията.

Машините с вечно движение, които са машини, които могат да работят безкрайно дълго без източник на енергия, са забранени от законите на физиката. Вилцек признал тази странност в теорията си за времевите кристали. А през 2015 г. друга група от теоретични физици показала, че кристал с вечно движение наистина би бил нещо невъзможно.

Но това не бил краят на историята. През 2016 г. ново изследване показало, че времевите кристали все пак могат да съществуват на теория, но само ако има някаква външна движеща сила. Идеята била, че повторяемостта във времето ще бъде в един вид латентно състояние, скрита от погледа. И прибавянето на малко енергия би я задвижила и разкрила. Това решило парадокса на вечното движение и дало нови надежди за съществуването на времеви кристали.

След това, през лятото на 2016 г., условията за създаване и наблюдаване на времевите кристали били изложени в една статия в онлайн архива arXiv. По-късно са публикувани в рецензираното престижно списание в областта на физиката Physical Review Letters. Учените изследвали как едно специално свойство на частиците, известно като квантов спин. То може многократно да се обръща от външна сила на равни интервали. Те прогнозирали, че ако направят това на набор от частици, взаимодействията между частиците ще създадат свои собствени осцилации в спина, създавайки „задвижван“ времеви кристал.

Другият екип се фокусирал върху изцяло различна система, състояща се от дефекти в кристалната решетка на диаманта. Те използвали микровълни, за да разрушат примесите на добре дефинирани интервали от време и наблюдавали същия тип осцилации на времевия кристал както първия екип от учени. Най-после времевите кристали били създадени и основните идеи на Вилцек ‒ доказани.

Свойствата на обикновените кристали да разрушават симетрията доведоха до създаването на фононни и фотонни метаматериали, на умишлено създадени материали. Те селективно контролират акустичните вибрации и светлината, които могат да бъдат използвани за увеличаване на ефективността на протезите или за повишаване ефективността на лазерите и фибро оптиката. Така че свойствата на времевите кристали за разрушаване на времевата симетрия вероятно ще намерят своето място в нови области. Да вземем например хроно-метаматериалите за квантовите компютри, които използват присъщите свойства на атомите да съхраняват и обработват данни.

Историята на времевите кристали започна с красива идея на един теоретичен физик и само пет години по-късно приключи своята първа глава с убедителни експериментални доказателства. Интересното тепърва предстои – докато учените доказват своите революционни теории изглежда, че физиката е по-жива от всякога.

НП©