Кристаллы времени: новая форма материи, существующая в четырех измерениях
Физики создали новую форму материи под названием кристаллы времени. Эти кристаллы обладают свойствами, которых мы не видели ни в одном другом веществе.
Обычно материя неподвижна в состоянии покоя и имеет потенциальную энергию только до тех пор, пока она не преобразуется в кинетическую. Например, находящийся в состоянии покоя шар переполнен «потенциальной энергией», а когда его пинают, эта энергия преобразуется в «кинетическую энергию», энергию движения.
Но кристаллы времени на самом деле движутся в своем «состоянии покоя» или «основном состоянии» —, когда атомы имеют наименьшее количество энергии. Они как мяч, который всегда в движении. Другими словами, они всегда нестабильны, вплоть до атомного уровня. Это первая неравновесная материя, когда-либо созданная!
Правильные кристаллы — это атомы, расположенные в повторяющихся трехмерных структурах, называемых решеткой. Паттерны дублируются в пространстве, тогда как кристаллы времени дублируют свои паттерны не только в пространстве, но и во времени. По сути, это 4-х мерные кристаллы!
Концепция временных кристаллов была впервые теоретизирована лауреатом Нобелевской премии Франком Вильчеком в 2012 году. Он предположил, что может существовать гипотетическая материя, которая может периодически перемещаться, даже находясь в «основном состоянии».
Теоретически, кристаллы времени могут двигаться без приложения энергии, потому что они должны быть нестабильными, нарушая симметрию времени, что приводит к постоянному движению атомов.
После того, как теория кристаллов времени вышла в свет, исследователи сосредоточились на разработке методов создания этого нового вещества, которое могло бы нарушить симметрию времени. План был создан и размещен в сети в августе 2016 года. Автор назвал свою статью, цитата: «мостом между теоретической идеей и экспериментальной реализацией».
Две команды, одна из Университета Мэриленда и одна из Гарварда, взяли базовый «план» того, как делать кристаллы времени, и приступили к работе. Обе команды были успешными, но использовали разные методы для достижения одинаковых результатов.
Университет штата Мэриленд создал свои кристаллы времени с линией 10 иттербиевых ионов. Внутри этих ионов спины их электронов запутались. Цель исследователей состояла в том, чтобы нарушить нормальное равновесие ионов.
Для этого они использовали два лазера, один для переворачивания ионов, а второй лазер для создания магнитного поля. Первый лазер переворачивал ионы, заставляя их взаимодействовать с другими ионами, переворачивая их в магнитном поле, создаваемом вторым лазером. Этот процесс продолжался до тех пор, пока все ионы не начали колебаться или вращаться.
Это считалось нормальным поведением для обычного кристалла, но исследователи заметили нечто странное. Поскольку лазеры продолжали подталкивать ионы, они поняли, что ионы теперь реагировали чаще, чем они подталкивались. По словам исследователя Нормана Яо, это все равно что покачивать желе и заставлять его двигаться, когда его не тыкают.
Исследователи существенно нарушили симметрию времени и создали новую форму неравновесной материи, которая продолжала двигаться в своем «основном состоянии»!
Исследователи из Гарварда создавали кристалл времени иным методом. Вместо ионов иттербия они использовали азото-замещенные вакансии, которые представляют собой определенные примеси, обнаруженные в алмазах. И вместо использования лазеров исследователи Гарварда применили микроволны, чтобы заставить ионы в алмазах колебаться.
Другой метод, тот же результат: кристаллы времени.
Эта новая форма материи может привести к будущим прорывам в квантовых вычислениях и пониманию различных форм, которые может в конечном итоге принять материя.
Исследователи также отметили, что создание кристаллов времени является доказательством того, что временная симметрия может быть нарушена и что неравновесное вещество может существовать.