Міжнародна команда фізиків виявила незвичайний механізм, завдяки якому коливання матеріалу можуть самостійно впорядковуватися й переходити в єдиний стабільний ритм. Це відкриття може допомогти зрозуміти, як створювати часові кристали — особливі фізичні системи, що демонструють повторювані структури в часі.
Дослідники використали метаматеріал, надрукований на 3D-принтері, і спостерігали, як швидкі хаотичні вібрації поступово поступаються місцем повільнішим і масштабнішим хвилям. Зрештою вся конструкція почала рухатися синхронно. Цей процес науковці назвали укрупненням хвиль (wave coarsening).
Результати дослідження опублікували в журналі Nature.
Як хаос перетворився на єдиний ритм
Часові кристали відрізняються від звичайних кристалів тим, що демонструють упорядковані структури не лише в просторі, а й у часі. Їхній стан характеризується повторюваними ритмами, які можуть зберігатися протягом тривалого часу. Однак створення стабільних часових кристалів залишається складним завданням. Навіть незначні зовнішні збурення здатні порушити синхронізацію, особливо в системах із меншою кількістю просторових вимірів.
Команда під керівництвом Йонаса Венстри з Амстердамського університету вирішила дослідити, чи може впорядкований ритм виникати без зовнішнього сигналу, який змушував би всі елементи рухатися в одному темпі.
Для експерименту вчені створили двовимірний метаматеріал із 37 елементів, розташованих у вигляді стільникової решітки. Кожен елемент складався з трьох пружних шестикутників і був оснащений датчиками, приводами та невеликим електронним контролером.
Дослідники запрограмували компоненти реагувати на сусідні елементи асиметрично. Коли один шестикутник стискали, сусідній за годинниковою стрілкою також стискався, тоді як елемент з іншого боку розширювався. Така взаємодія, яку фізики називають невзаємною, стала ключовою умовою експерименту.
Після невеликого поштовху конструкція спочатку почала вібрувати з частотою приблизно 30 разів на секунду. Згодом уздовж її країв виникли більші хвилі, які поступово витіснили дрібніші коливання. Хвилі ставали довшими, їхні коливання сповільнювалися, а зрештою вся структура перейшла до спільного ритму.
Синхронізація зберігалася попри збурення
Самої синхронізації було недостатньо, щоб довести, що система демонструє властивості часового кристала. Дослідникам потрібно було встановити, чи зберігатиметься впорядкований рух за наявності випадкових збурень.
Для цього вони провели математичний аналіз і комп’ютерне моделювання, додаючи до системи шум. Результати показали, що коливання можуть залишатися узгодженими навіть за таких умов. Моделі також вказали, що цей ефект здатний зберігатися зі збільшенням системи до дуже великих розмірів.
У другому експерименті вчені перевірили, чи виникатиме подібна поведінка в конструкції іншої форми. Вони створили еластичне кільце з 24 двигунами, розмістили його на повітряному столі для зменшення тертя й активували приводи.
Кільце почало деформуватися, утворюючи багатокутні форми, які поступово змінювалися. Зі збільшенням довжини хвиль кількість сторін багатокутників зменшувалася, а рух зрештою визначався одним масштабним хвильовим візерунком. Водночас автори не встановлювали окремо, що кільце також утворило часовий кристал. Цей експеримент продемонстрував інший важливий аспект укрупнення хвиль.
Чому більші хвилі витісняють менші
За результатами математичного аналізу, зі збільшенням амплітуди хвилі змінюють динаміку системи так, що сприятливіші умови отримують коливання з більшою довжиною хвилі. Вони стають сильнішими й додатково зміщують баланс на свою користь. Так виникає зворотний зв’язок: домінантні хвилі поступово збільшуються та сповільнюються, доки не досягають обмежень, визначених розміром матеріалу.
Дослідники також виявили, що цей процес можна змінити. У математичній моделі додавання тертя пригнічувало найдовші хвилі. Замість переходу до єдиного ритму система могла формувати інший тип упорядкованого руху — стійкі хвилі, які поширюються в одному напрямку вздовж краю матеріалу.
Як відкриття може допомогти робототехніці
Результати свідчать, що взаємодія між елементами матеріалу може сама створювати умови для стійкої організації руху — без необхідності постійно задавати ритм ззовні. У перспективі цей принцип може стати корисним для розробки м’яких роботів, які координуватимуть рух або змінюватимуть форму завдяки властивостям власної конструкції. Він також може знайти застосування в акустиці, дослідженнях активної матерії та оптомеханіці.
Однак практичні технології на основі цього механізму поки що залишаються перспективою, а не готовим результатом. Наступним кроком стане з’ясування того, як керувати умовами взаємодії між елементами, щоб отримувати потрібні типи руху.
Головний висновок дослідження полягає в тому, що впорядкований ритм не завжди потрібно нав’язувати системі ззовні. За належної організації взаємодій хаотичні коливання можуть самостійно перетворюватися на стійку часову структуру.