Фізики розробили міцний «кристал часу»

Групі з ТУ Дортмундського університету нещодавно вдалося виготовити надзвичайно міцний кристал часу, який жив у мільйони разів довше, ніж можна було показати в попередніх експериментах. Цим вони підтвердили надзвичайно цікаве явище, яке лауреат Нобелівської премії Френк Вільчек постулював близько десяти років тому і яке вже потрапило в науково-фантастичні фільми. Результати були опубліковані в Nature Physics.

Кристали, або, точніше, кристали в просторі — це періодичні розташування атомів на великих масштабах довжини. Таке розташування надає кристалам захоплюючого вигляду з гладкими гранями, як у дорогоцінних каменів.

Оскільки фізика часто розглядає простір і час на одному рівні, наприклад, у спеціальній теорії відносності, Френк Вільчек, фізик з Массачусетського технологічного інституту (MIT) і лауреат Нобелівської премії з фізики, у 2012 році постулював, що, крім кристалів в просторі, повинні бути кристали і в часі.

Щоб це було так, сказав він, одна з їхніх фізичних властивостей мала б спонтанно почати періодично змінюватися з часом, навіть якщо система не відчуває відповідних періодичних перешкод. Те, що такі кристали часу можливі, було предметом суперечливих наукових дебатів протягом кількох років, але вони швидко дійшли до кінотеатрів: наприклад, кристал часу зіграв центральну роль у фільмі Marvel Studios «Месники: Завершення» (2019).

Починаючи з 2017 року вченим справді кілька разів вдалося продемонструвати потенційний кристал часу. Однак це були системи, які — на відміну від початкової ідеї Вільчека — піддаються тимчасовому збудженню з певною періодичністю, але потім реагують з іншим періодом, удвічі довшим.

Кристал, який поводиться періодично в часі, хоча збудження не залежить від часу, тобто є постійним, був продемонстрований лише в 2022 році в конденсаті Бозе-Ейнштейна. Однак кристал жив лише кілька мілісекунд.

Дортмундські фізики на чолі з доктором Алексом Грейлічом розробили спеціальний кристал з арсеніду індію-галію, в якому ядерні оберти діють як резервуар для кристала часу. Кристал безперервно освітлюється так, що завдяки взаємодії зі спінами електронів утворюється поляризація ядерного спіну. І саме ця ядерна спінова поляризація спонтанно породжує коливання, еквівалентні часовому кристалу.

Стан експериментів на цей час такий, що час життя кристала становить принаймні 40 хвилин, що в 10 мільйонів разів більше, ніж було продемонстровано на сьогодні, і потенційно він може жити набагато довше.

Систематично змінюючи умови експерименту, можна змінювати період кристала в широких межах. Однак можливий також рух в області, де кристал «плавиться», тобто втрачає свою періодичність. Ці області також цікаві, оскільки тоді проявляється хаотична поведінка, яка може зберігатися протягом тривалого часу. Це перший випадок, коли вчені змогли використати теоретичні інструменти для аналізу хаотичної поведінки таких систем.