Физики разработали очень надежный кристалл времени

Команде из Технического университета Дортмунда удалось создать очень прочный кристалл времени, который прожил в миллионы раз дольше, чем можно было показать в предыдущих экспериментах. Тем самым они подтвердили чрезвычайно интересный феномен, который постулировал около десяти лет назад лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек и который уже нашел отражение в научно-фантастических фильмах. Результаты были опубликованы в журнале Nature Physics.

Кристаллы, или, точнее, кристаллы в пространстве, представляют собой периодическое расположение атомов на больших масштабах длины. Такое расположение придает кристаллам очаровательный вид с гладкими гранями, как у драгоценных камней.

Поскольку физика часто рассматривает пространство и время на одном и том же уровне, например, в специальной теории относительности, Фрэнк Вильчек, физик Массачусетского технологического института (MIT) и лауреат Нобелевской премии по физике, постулировал в 2012 году, что, помимо кристаллов в пространстве, должны быть кристаллы и во времени.

Для этого, по его словам, одно из их физических свойств должно самопроизвольно начать периодически меняться во времени, даже если система не испытывает соответствующего периодического вмешательства.

То, что такие кристаллы времени возможны, было предметом спорных научных дебатов в течение нескольких лет. Начиная с 2017 года, ученым действительно несколько раз удавалось продемонстрировать потенциальный кристалл времени. Однако это были системы, которые, в отличие от первоначальной идеи Вильчека, подвергаются временному возбуждению с определенной периодичностью, но затем реагируют с другим периодом, вдвое более продолжительным.

Кристалл, который ведет себя периодически во времени, хотя возбуждение не зависит от времени, т. е. постоянно, был продемонстрирован только в 2022 году в конденсате Бозе-Эйнштейна. Однако кристалл прожил всего несколько миллисекунд.

Физики Дортмунда под руководством доктора Алекса Грейлиха разработали специальный кристалл из арсенида индия-галлия, в котором ядерные спины действуют как резервуар для кристалла времени. Кристалл постоянно освещается, так что поляризация ядерных спинов формируется за счет взаимодействия со спинами электронов. И именно эта спиновая поляризация ядра затем спонтанно порождает колебания, эквивалентные кристаллу времени.

Статус экспериментов на данный момент таков, что время жизни кристалла составляет не менее 40 минут, что в 10 миллионов раз дольше, чем было продемонстрировано на сегодняшний день, и потенциально он может жить гораздо дольше.

Путем систематического изменения условий эксперимента можно изменять период кристалла в широких пределах. Однако возможно также перемещение в области, где кристалл «плавится», т. е. теряет периодичность.

Эти области также интересны тем, что тогда проявляется хаотичное поведение, которое может сохраняться в течение длительного периода времени.

Впервые учёным удалось использовать теоретические инструменты для анализа хаотического поведения таких систем.