Темпоральный (временной) кристалл – это новое гипотетическое состояние материи в форме кристаллов, которые являются вечно движущимися структурами частиц, повторяющимися сами по себе во времени.
Автором концепции временного кристалла является лауреат Нобелевской премии (2004 г) Франк Вильчек.
Симметрия в физике
Некоторые ученые полагают, что красота законов природы проявляется в симметрии. Физическая симметрия имеет в виду то, что некоторые свойства остаются без изменений при определенных преобразованиях, например:
- повороте в пространстве,
- пространственном сдвиге,
- отражении в зеркале и т.д.
То есть, кокой бы поворот объект не выполнил, физические законы не будут изменены.
Симметрия может быть непрерывна или дискретна. Так, при повороте однородного шара ничего не изменяется. Если совершать повороты куба, то он повторит себя в точности только на определенных углах.
Современные исследователь полагают, что интересная физика возникает тогда (и там), где происходит слом симметрии. Так, кристалл является менее симметричным, чем жидкость с постоянной плотностью, даже если они составлены из одинаковых атомов. Следовательно, этот кристалл можно рассматривать как изменение симметрии пространства. Атомы в кристалле расположены в узлах кристаллической решетки. Расстояния между ними строго определены. Если рассматривать перемещение кристалла в пространстве, то получить тот же самый кристалл можно сдвинув его на определенное расстояние, равное постоянной кристаллической решетки.
Характеристики кристаллов прямо связаны с тем, как нарушается симметрия:
- число электронов во внешней оболочке атомов,
- магнитные моменты,
- температура
это факторы, оказывающие влияние на взаимодействие атомов и это является определяющим в свойствах вещества.
Ученые – физики длительное время исследуют кристаллы и научились аналогичные им структуры с помощью лазеров и микроволн. В этих структурах в узлах аналога кристаллической решетки способны находиться:
- атомы,
- электроны,
- фотоны,
- квазичастицы ...
Симметрию среды нарушают кроме прочего намагниченность и течение тока.
Особым интересом в настоящее время пользуется идея дискретного нарушения временной (темпоральной) симметрии.
Темпоральность (темпоральная протяженность объекта) – протяженность во времени. В общем случае темпоральность определяют как временной интервал, на котором можно установить исчерпывающую специфичность объекта (процесса).
Ф. Вильчек в 2012 году стал исследовать вопрос о спонтанном не нарушении симметрии времени (временная симметрия не нарушается за счет спонтанных взаимодействий частей системы). Ученый задумался над вопросом о возможности создания условий нарушения темпоральной симметрии. Он выдвинул идею о темпоральных кристаллах, как способе нарушения данного вида симметрии.
Свойства темпоральных кристаллов
Вильчек задумал временные кристаллы как объекты, которые должны пульсировать без энергетических затрат, как механические часы, которые не требуют завода. При этом последовательность должна повторяться во времени, аналогично атомам, в решетке кристалла.
Одной из гипотетических реализаций временного кристалла считают кольцо атомов. Данное кольцо должно совершать вращения, при этом оно регулярно возвращается в исходное состояние. Свойства такого кольца стали бы синхронизированными по времени, подобно как связаны положения атомов в кристалле. Для того чтобы осуществлять движение без внешних источников энергии, такой системе следует находиться в состоянии минимума энергии. В этом смысле темпоральный кристалл можно считать вечным двигателем, принимая во внимание, однако, что он не выполняет полезной работы.
Большинство ученых сочло данную идею провокацией. Но стоит учесть, что вечное движение имеется в квантовом мире.
Исследования ближайших лет
В 2015 году Х. Ватанабе и М. Ошикава доказали теорему, которая показала невозможность создания темпорального кристалла для равновесной системы, если она достигла устойчивости при любой энергии. Ими же было показано, что временной кристалл нельзя создать в состоянии с минимальной энергией.
Заметим, что наука не исключает возможность создания темпоральных кристаллов в неравновесных системах. Физики – теоретики начали поиски альтернативных версий временных кристаллов, которые не противоречили бы теоремам Ватанабе и Ошикава.
Ш. Сонди проводили исследования поведения изолированной квантовой системы, которая состояла из совокупности разных взаимодействующих частиц. В эту систему поставляли энергию. По прогнозам данная система должна повысить свою температуру и стать полностью хаотичной. Но исследователи обнаружили, что при определенных условиях частички собираются в группы и составляют некоторый узор, который повторяется во времени.
Ученик Вильчека, Ч. Наяк, сделали предположение о том, что данная неравновесная система – это разновидность временного кристалла. Отличие данной системы от темпорального кристалла Вильчека состояло в том, что это вещество не находится в состоянии с минимальной энергией и ей требуется получать энергию извне, чтобы поддерживать пульсации. Но полученная система имеет свой ритм, который отличается от частоты накачки, и из этого можно сделать вывод о нарушении временной симметрии.
К. Монро сделал попытку создания темпорального кристалла из холодных атомов. Его рецепт имеет три основных составляющих, это:
- сила воздействия на систему;
- взаимодействие атомов;
- элементы случайного беспорядка в системе.
Комбинация, предложенная ученым, должна ограничивать частицы в поглощаемой ими энергии, что дает возможность оставаться этим частица в упорядоченном состоянии.
В опытах, которые проводились, два лазера по очереди освещали цепочку из 10 ионов иттербия. Один лазер поворачивал магнитные моменты атомов, другой способствовал их взаимодействию между собой. Данные действия приводили к выполнению колебаний проекциями магнитных моментов, при этом период данных колебаний был вдвое большим, чем период лазерной подкачки спинов. Интересным моментом было то, что если частоту излучения первого лазера немного сбивали, колебания в системе не изменялись. Темпоральный кристалл сохранял свою периодичность.
Коллектив под руководством М. Лукина сделал попытку выполнить временной кристалл с помощью алмаза. Синтетический кристалл, имеющий около миллиона дефектов, расположенных беспорядочно, подвергали воздействию микроволновых импульсов. Ученые фиксировали отклик системы при частотах много меньших, чем частота возбуждающего излучения.
По результатам исследований, которые описаны выше, научное сообщество сделало вывод о том, что системы Монро и Лукина спонтанно нарушают временную симметрию, следовательно, удовлетворяют требованиям временного кристалла с точки зрения математики. Но пока следует воздержаться от признания того, что темпоральный кристалл получен.
