Ученые разрабатывают "кристаллы времени" создаваемые из света

Новый, более надежный подход к созданию этих странных конструкций делает их еще на один шаг ближе к практическому применению

Во многих отношениях ученые похожи на детективов, разгадывающих тайны путем просеивания улик в поисках схожих закономерностей. Например, любой кристалл, будь то крупинка поваренной соли или бриллиантовое ожерелье, - это просто набор атомов, расположенных в повторяющемся узоре. Мельком взглянув лишь на несколько атомов кристалла, сыщик может предположить, где должны находиться все остальные.

Но что если этот узор распределен во времени, а не в пространстве, и его составляющие связаны между собой по принципу "когда", а не "где"? Эта контринтуитивная концепция лежит в основе "кристаллов времени", квантовых систем, которые демонстрируют кристаллоподобное предсказуемо повторяющееся поведение. Физик Массачусетского технологического института и нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек впервые предположил их существование в 2012 году. После долгих лет напряженной работы экспериментаторам удалось окончательно создать такой прибор только в 2021 году. Теперь группа физиков под руководством инженера Хоссейна Тахери из Калифорнийского университета в Риверсайде добилась очередного успеха, создав кристалл времени из света. Их работа, опубликованная в феврале в журнале Nature Communications, может помочь кристаллам времени превратиться из хрупких экспериментальных диковинок в более надежные компоненты практических устройств.

Хотя поведение кристалла времени повторяется с течением времени, его нельзя считать простыми тикающими часами. В частности, часы требуют внешней энергии, чтобы продолжать идти, но для кристалла времени "тиканье" - это его наиболее естественное, стабильное состояние. Это противоположно представлению физиков о термодинамическом равновесии, при котором энергия поступает в систему только для того, чтобы неизбежно рассеяться: представьте себе кастрюлю с водой, которую доводят до кипения, а затем возвращают к комнатной температуре. В этом смысле кристаллы времени похожи на кастрюлю с водой, которая всегда кипит одинаково и никогда не остывает. По некоторым определениям, они представляют собой новое и уникальное состояние материи, которое отличается непоколебимым упорством в выходе из равновесия. Как своеобразные метрономы, кристаллы времени могут в будущем стать отличным подспорьем для точного хронометража или квантовой обработки информации.

"Кристаллы времени прошли путь от концептуальной идеи, продиктованной сугубо теоретическими соображениями, до чего-то, что люди пытаются использовать в технологиях", - говорит Вильчек, который не принимал участия в новой работе. Но исследователям пришлось пройти долгий и тернистый путь в стремлении вывести кристаллы времени из лаборатории в сферу реальных приложений. Обычно для того, чтобы определить, является ли та или иная установка кристаллом времени вообще, требовались сложные экспериментальные установки или уникальный контроль мощных квантовых компьютеров.

Прорыв команды был достигнут с помощью сравнительно более простого подхода, заключающегося в направлении двух пучков лазерного излучения в миллиметровую полость кристалла в форме диска. Внутри полости два луча неоднократно рикошетили от ее сторон и сталкивались в процессе. Очень важно, что исследователи выбрали определенный дизайн полости и точно контролировали свойства лазерных лучей, так что залп отраженного света создавал странные узоры, которые никогда не могли возникнуть из света, излучаемого, например, обычными бытовыми лампочками. Внутри кристаллического "прыгающего домика" лазерный свет превратился в парад "кусков", каждый из которых больше похож на одиночный гребень волны, никогда не теряющий форму, чем на широкую рябь на поверхности взволнованного озера. Эти так называемые уединенные волны, или солитоны, возникали и формировали парад с предсказуемой периодичностью, маршируя идеально в такт, выстраивая, таким образом, временной кристалл. Физики уловили эту "кристаллизацию", внимательно изучив свет, который струйками выходил из полости.

Если бы какая-то крошечная версия вас стояла у выхода из полости, держа в руках детектор света, объясняет Тахери, сначала вы бы обнаружили периодические изменения в интенсивности выходящего света, связанные со свойствами лазеров. Однако в конце концов спонтанно возникла бы картина интенсивности света с совершенно иной периодичностью, задаваемой солитонами, проходящими через полость. Это было бы похоже на просмотр фильма на телевизоре, который вдруг начал воспроизводить его в ускоренном режиме, причем конкретная частота кадров задавалась бы скрытой механикой внутри дисплея, а не контролировалась бы вами. "Теперь мы видим некоторые особенности [световой] волны, которые являются периодическими, но их период на самом деле в два или три раза или в какое-то другое целое число кратен периодичности, отпечатанной [на свете] лазерами", - говорит Тахери. Это увеличение выявило квантовую систему, которая теперь естественным образом поддерживает свое собственное время - другими словами, кристалл времени на основе света".

Андрей Мацко, физик из Лаборатории реактивного движения НАСА и соавтор исследования, сравнивает это с выращиванием кристаллов соли путем подвешивания нити в соленой жидкости. "Настройка наших лазеров похожа на управление структурой нити, которую вы опускаете в раствор [соли]", - говорит он. В любом случае, лазер или нить помогают кристаллам сформироваться, но их периодичность, их структура полностью зависит от них самих.

В предыдущих исследованиях использовались различные строительные блоки для создания кристаллов времени, однако использование света в новом эксперименте оказалось практическим преимуществом. Важно отметить, что созданный командой временной кристалл работает в относительно нормальных условиях. Большинство квантовых фаз материи проявляют свои особые свойства только при криогенных температурах или других экстремальных условиях и становятся совершенно обычными, когда попадают в мир за пределами лаборатории. "С моей точки зрения, этот эксперимент важен тем, что он работает при [относительно] высоких температурах", - говорит Берислав Бука, физик из Оксфордского университета, который не принимал участия в исследовании. "Это делает его ближе к сложным процессам, которые мы наблюдаем в реальном мире вокруг нас".

Новый кристалл времени также оказался удивительно устойчивым к пресловутой беспорядочности реального мира. По словам Тахери, случайные потери энергии в системе, а также накладывающийся на нее шум (подобно тому, как ваш телевизор нагревается и показывает помехи в аналогии с просмотром фильма), на самом деле повысили его стабильность. Обычно "когда присутствуют эти два элемента, они пытаются разрушить кристалличность", - говорит он. Чтобы избежать таких внешних возмущений, кристаллы времени обычно должны быть строго изолированы от окружающей среды. "Но наша система обеспечивает баланс между этими противодействующими игроками", - говорит Тахери. Игорь Лесановский, физик из Ноттингемского университета в Англии, который также не участвовал в эксперименте, согласен с тем, что поддерживать работу кристалла времени, не закрывая его от окружающей среды, может быть непросто. "Вам действительно нужен "сговор" между различными эффектами", - говорит он.

Поскольку диссипация и шум сговариваются между собой, чтобы сдерживать пагубные эффекты друг друга, новый световой кристалл времени является многообещающим кандидатом на интеграцию в практические устройства в будущем. Для его создания также требуется относительно небольшое количество компонентов, отмечает Люте Малеки, генеральный директор компании OEwaves, занимающейся фотонными технологиями, и соавтор исследования. "Это действительно простая архитектура [устройства]", - подчеркивает он. "Она должна быть доступна для многих [исследовательских] групп". Малеки надеется, что будущие исследования продвинут эту простую, но устойчивую конструкцию в центр как исследований фундаментальной физики, так и прикладных усилий, например, в точном хронометраже.

Как прибор для измерения времени, световой кристалл времени может быть немного менее точным, чем современные атомные часы. Но его стабильность и неприхотливость компонентов могут сделать его подходящим для интеграции, например, в коммуникационные или вычислительные устройства, которые требуют очень точного определения времени и при этом достаточно прочны, чтобы функционировать вне тщательно контролируемых лабораторных условий. Кроме того, некоторые распространенные технологии производства электроники могут позволить реализовать кристалл времени на чипах, что упростит добавление системы в существующие потребительские гаджеты.

Кроме того, физики могли бы изучать очень большие кристаллы времени так же, как десятилетиями изучали более традиционные пространственные кристаллы, говорит соавтор исследования Кшиштоф Саша, физик из Ягеллонского университета в Польше. Здесь физики могут поменять пространство на время, чтобы исследовать, проявляют ли временные кристаллы, сконструированные с определенными дефектами или купающиеся в избыточной энергии, неожиданное поведение. Такое поведение обычно труднее обнаружить в маленьких кристаллах, поэтому возможность сделать свою систему на основе света большой потенциально дает команде возможность выйти в совершенно новую сферу. "Я думаю, что это действительно открывает новые горизонты [физических исследований]", - подчеркивает Саша. Вильчек соглашается. "Это совершенно новый класс состояний материи", - говорит он. "Мне кажется вполне вероятным, что при их изучении появятся полезные устройства и другие сюрпризы. Это девственная территория; мы открываем здесь новый мир".