Що таке кристали часу: як зламати закони фізики

Ми все більше і більше дізнаємося про кристали часу - незвичайні фази матерії, які, за словами вчених, роблять неможливе. Нещодавно дослідниками пощастило спостерігати взаємодію двох таких кристалів, а значить їх можна використовувати і для прикладних цілей.

Звичайні кристали визначаються високоупорядкованими атомарними структурами, де одні і ті ж патерни атомів повторюються в просторі з разу в раз. Але чи можуть атоми так само повторюватися і в часі? У 2012 році таку гіпотезу висунув Френк Вільчек, лауреат Нобелівської премії - а вже в 2016 році в лабораторії був отриманий перший зразок такого кристала.

Відмінна особливість кристалів часу полягає їх здатність повторювати атомні патерни в часі навіть тоді, коли на них не впливає зовнішня сила. Найкраще провести аналогію з мискою, повною желе. Якщо ви торкнетеся десерту, то він повинен деякий час погойдуватися з боку в бік, поки поступово знову не стане нерухомим. А ось кристалам часу може знадобитися кілька секунд для того, щоб почати коливатися; потім ще кілька секунд, щоб зупинитися; а потім вони раптом починають коливатися знову, і процес цей повторюється нескінченно довго. У повсякденній фізиці, що оточує нас, це не має ніякого сенсу. Але - хочете вірте, хочете ні - ці кристали не порушують жоден закон термодинаміки!

Дослідники з університетів Єльського університету, Ланкастера і Аалто, а також з Лондонського Королівського Холловея провели серію експериментів з кристалами гелію-3, охолодженого до абсолютного нуля. Створивши таким чином два часові кристали в надплинній рідині, команда дозволила їм стикнутися. У результаті вчені спостерігали, як два тимчасових кристали переміщують частинки вперед і назад один в одного, приводячи свої рухи в чергований візерунок. Це ознака явища, званого ефектом Джозефсона.

«Управління взаємодією двох часових кристалів - важливе досягнення», - пояснює Самулі Аутті, провідний автор нового дослідження. "До цього ніхто не спостерігав двох тимчасових кристалів в одній системі, не кажучи вже про те, щоб вони взаємодіяли. Контрольовані взаємодії - це елемент номер один у списку бажань кожного, хто хоче використовувати кристал часу для практичних додатків, таких як квантова обробка інформації ".

В даний час основна проблема квантових комп'ютерів полягає в тому, що інформації в них важко залишатися «узгодженою» або стабільною протягом тривалого часу. Але кристали часу роблять це відносно легко, а значить, вони можуть допомогти нам подолати цей недолік квантових систем. Вони також можуть призвести до розвитку більш точного хронометражу, такого як атомні годинники, і систем, які на них покладаються, наприклад GPS нового покоління.