Что такое кристаллы времени: как сломать законы физики

Мы все больше и больше узнаем о кристаллах времени — необычных фазах материи, которые, по словам ученых, совершают невозможное. Недавно исследователями повезло наблюдать взаимодействие двух таких кристаллов, а значит их можно использовать и для прикладных целей.

Обычные кристаллы определяются высокоупорядоченными атомарными структурами, где одни и те же паттерны атомов повторяются в пространстве из раза в раз. Но могут ли атомы точно так же повторяться и во времени? В 2012 году такую гипотезу выдвинул Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии — а уже в 2016 году в лаборатории был получен первый образец такого кристалла.

Отличительная особенность кристаллов времени заключается их способность повторять атомные паттерны во времени даже тогда, когда на них не воздействует внешняя сила. Лучше всего провести аналогию с миской, полной желе. Если вы коснетесь десерта, то он должен некоторое время покачиваться из стороны в сторону, пока постепенно вновь не станет неподвижным. А вот кристаллам времени может потребоваться несколько секунд для того, чтобы начать колебаться; затем еще несколько секунд, чтобы остановиться; а затем они вдруг начинают колебаться вновь, и процесс этот повторяется бесконечно долго. В повседневной физике, что окружает нас, это не имеет никакого смысла. Но — хотите верьте, хотите нет — эти кристаллы не нарушают ни один закон термодинамики!

Исследователи из университетов Йельского университета, Ланкастера и Аалто, а также из Лондонского Королевского Холлоуэя провели серию экспериментов с кристаллами гелия-3, охлажденного до абсолютного нуля. Создав таким образом два временных кристалла в сверхтекучей жидкости, команда позволила им соприкоснуться. В результате ученые наблюдали, как два временных кристалла перемещают частицы вперед и назад друг в друга, приводя свои движения в чередующийся узор. Это признак явления, называемого эффектом Джозефсона.

«Управление взаимодействием двух временных кристаллов — важное достижение», — поясняет Самули Аутти, ведущий автор нового исследования. «До этого никто не наблюдал двух временных кристаллов в одной системе, не говоря уже о том, чтобы они взаимодействовали. Контролируемые взаимодействия — это элемент номер один в списке желаний каждого, кто хочет использовать кристалл времени для практических приложений, таких как квантовая обработка информации».

В настоящее время основная проблема квантовых компьютеров заключается в том, что информации в них трудно оставаться «согласованной» или стабильной в течение длительного времени. Но кристаллы времени делают это относительно легко, а значит, они могут помочь нам преодолеть этот недостаток квантовых систем. Они также могут привести к развитию более точного хронометража, такого как атомные часы, и систем, которые на них полагаются, например GPS нового поколения.