Физики описали истинные кристаллы времени

Физики из Университета ИТМО описали истинные кристаллы времени. Вопрос о самой возможности их существования ранее ставил нобелевский лауреат по физике 2004 года Фрэнк Вильчек, однако затем ученые неоднократно публиковали работы, в которых доказывалась невозможность построения системы, в которой бы они существовали.

В 2012 году нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек поставил перед учеными новый фундаментальный вопрос, вытекающий из теории относительности Эйнштейна — могут ли существовать структуры, которые нарушают трансляционную симметрию во времени? Он назвал их «квантовыми кристаллами времени».

В физике понятие «кристалл» отличается от привычного значения этого слова. Для ученых кристалл — твердое тело, имеющее кристаллическую решетку. Атомы и молекулы в жидких и газообразных телах, не имеющих кристаллической решетки, можно сместить на любое расстояние, и система перейдет сама в себя, то есть останется неизменной. Это называется трансляционной симметрией. Кристаллы ведут себя иначе — их атомы нельзя подвинуть на расстояние чуть меньшее, чем расстояние, которое в нормальном состоянии разделяет два атома, иначе структура не совместится сама с собой, присутствует дальний порядок. Это называется нарушением трансляционной симметрии.

Согласно теории относительности Эйнштейна пространство и время прочно увязаны между собой и могут использоваться в физических теориях относительно равноправно. Следовательно, если существуют тела, нарушающие трансляционную симметрию в пространстве, то должны существовать такие же структуры, которые бы нарушали ее и во времени.

«Идея, которую предложил Вильчек, не была жестко оформлена, — поясняет соавтор исследования, аспирант Университета ИТМО Валерий Козин, — два японских ученых эту идею формализовали, проанализировали и пришли к выводу, что таких объектов в принципе не может быть в реалистичных системах, где взаимодействия между атомами происходят на достаточно коротких расстояниях. То есть два атома, находящиеся рядом, взаимодействуют, а два атома, находящиеся далеко, даже не «чувствуют» друг друга».

В 2014 году был предложен компромисс — группа ученых заморозила систему атомов до температуры близкой к абсолютному нулю и начала раз в наносекунду (условно) менять магнитное поле, которое воздействует на нее. По идее намагниченность пойманных атомов должна была меняться раз в наносекунду. Однако ученым этот принцип удалось «сломать»: вектор намагниченности системы менялся не раз в наносекунду, а раз в две наносекунды. Это было названо дискретными кристаллами времени. Но это не решило главный вопрос — возможны ли истинные кристаллы времени, меняющие корреляцию намагниченности не под действием внешних сил в определяемый воздействием промежуток времени, а сами по себе.

Ученые из Университета ИТМО решили проверить, действительно ли невозможно даже теоретически представить истинный кристалл времени. «Мы предложили такую систему, которая нарушает трансляционную симметрию во времени за счет нелокальных взаимодействий, — поясняет Козин, — мы рассмотрели такую систему, в которой один кусочек может напрямую влиять на очень отдаленные ее кусочки. То есть атомы в системе влияли не только на соседние, но и на все атомы в системе разом, в привычном мире такого быть не может, но ученые уже создавали системы, где такие взаимодействия работают». Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

В этих условиях материал в теории может иметь кристаллическую решетку и периодически менять свои свойства, к примеру, намагниченность, спонтанно нарушая трансляционную симметрию во времени. Таким образом, идею нобелевского лауреата удалось подтвердить, хотя ранее считалось, что это невозможно.