Ученые создали видимую форму «временного кристалла» — уникальной фазы материи, которая движется в бесконечно повторяющихся паттернах при освещении. Для достижения этого эффекта использовались жидкие кристаллы, аналогичные тем, что применяются в экранах телефонов. Исследовательской группе удалось добиться образования вихревых структур, которые ведут себя как частицы и самостоятельно циклически изменяются во времени.
Физики разработали видимый самоподдерживающийся «временной кристалл», используя завихрения жидких кристаллов. Представьте себе часы, которые идут вечно без батареек или проводов, а их стрелки вращаются сами по себе без остановки. В недавнем исследовании специалисты использовали знакомые материалы для реализации этой концепции. Результатом их труда стала новая форма так называемого «временного кристалла» — фазы материи, в которой компоненты, такие как атомы или частицы, находятся в непрерывном движении.
Хотя подобные кристаллы создавались и ранее, эта версия стала первой, которую можно увидеть непосредственно. Это достижение открывает двери для практического применения. Ведущий автор исследования Ханьцин Чжао отмечает, что феномен можно наблюдать прямо под микроскопом, а при особых условиях — даже невооруженным глазом.
Результаты работы были опубликованы в научном журнале Nature Materials. Для эксперимента команда подготовила стеклянные ячейки, заполненные жидкими кристаллами, состоящими из палочковидных молекул. Эти молекулы ведут себя частично как твердые тела, а частично — как жидкости. При освещении в определенных условиях они начинают смещаться и закручиваться, образуя движения, которые зацикливаются в повторяющихся последовательностях.
Кристаллы в пространстве и времени
При рассмотрении под микроскопом образцы демонстрируют узоры, напоминающие разноцветные нерегулярные полосы. Эти движения могут продолжаться часами, воплощая идею вечно идущих часов. Профессор Иван Смалюх подчеркивает, что все возникает из ничего: достаточно посветить на образец, и появляется целый мир временных кристаллов.
Временные кристаллы могут показаться чем-то из научной фантастики, но они черпают вдохновение в природных кристаллах, таких как алмазы или поваренная соль. Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек впервые предложил эту идею в 2012 году. Традиционные кристаллы можно считать «пространственными». Например, атомы углерода в алмазе образуют в пространстве решетчатый узор, который очень трудно разрушить. Вильчек задался вопросом, можно ли создать кристалл, организованный столь же упорядоченно, но во времени, а не в пространстве.
Даже в состоянии покоя атомы в таком состоянии не образовывали бы пространственную решетку, а двигались или трансформировались бы в бесконечном цикле. Первоначальная концепция Вильчека оказалась невозможной для реализации в чистом виде, но за прошедшие годы ученые создали фазы материи, которые достаточно близки к ней. Например, в 2021 году физики использовали квантовый компьютер для создания специальной сети атомов, которая многократно флуктуировала под воздействием лазерного луча.
Танцующие кристаллы
В новом исследовании ученые решили проверить, можно ли достичь подобного результата с жидкими кристаллами. Если сжать эти молекулы правильным образом, они собираются вместе так плотно, что образуют «изломы». Примечательно, что эти изломы перемещаются и при определенных условиях могут вести себя как атомы. Они взаимодействуют друг с другом, и их не так просто удалить.
В текущем исследовании раствор жидких кристаллов поместили между двумя кусками стекла, покрытыми молекулами красителя. Сами по себе эти образцы в основном оставались неподвижными. Но когда группа освещала их определенным видом света, молекулы красителя меняли свою ориентацию и сжимали жидкие кристаллы. В процессе внезапно образовывались тысячи новых изломов.
Эти изломы начинали взаимодействовать друг с другом, следуя невероятно сложной серии шагов. Это можно сравнить с комнатой, полной танцоров: пары расходятся, кружатся по комнате, снова сходятся и повторяют все это снова и снова. Паттерны во времени оказались необычайно устойчивыми — исследователи могли повышать или понижать температуру образцов, не нарушая движения жидких кристаллов.
Авторы работы полагают, что такие временные кристаллы могут иметь несколько применений. Например, правительства могли бы добавлять эти материалы в банкноты, чтобы затруднить их подделку. Чтобы проверить подлинность купюры, достаточно было бы просто посветить на «временной водяной знак». Кроме того, накладывая несколько разных временных кристаллов друг на друга, можно создавать еще более сложные узоры, что потенциально позволит инженерам хранить огромные объемы цифровых данных.