Срок жизни нового кристалла времени увеличен в 10 миллионов раз

Команде ученых из Технического университета Дортмунда недавно удалось создать кристалл времени, который прожил в миллионы раз дольше, чем было показано в предыдущих экспериментах. Тем самым был подтвержден чрезвычайно интересный феномен, который постулировал около десяти лет назад лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек и который уже нашел отражение в научно-фантастических фильмах.

Кристаллы, или, точнее, кристаллы в пространстве, представляют собой периодическое расположение атомов на больших масштабах длины. Такое расположение придает кристаллам красивый 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, в 2012 году постулировал, что, помимо кристаллов в пространстве, должны быть кристаллы и во времени — то есть кристаллы с повторяющимися во времени узорами (темпоральный кристалл).

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, но они быстро появилось в кино: например, кристалл времени сыграл центральную роль в фильме Marvel Studios «Мстители: Финал» (2019).

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.

Срок службы в миллионы раз дольше

Теперь физики Технического университета Дортмунда под руководством 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 затем спонтанно порождает колебания, эквивалентные кристаллу времени. Статус экспериментов в настоящее время таков, что время жизни кристалла составляет не менее 40 минут, что в десять миллионов раз дольше, чем было продемонстрировано на сегодняшний день, и потенциально кристалл 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 ученым удалось использовать теоретические инструменты для анализа хаотического поведения таких систем.

Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.