Учёные открыли новый тип кристаллов времени, меняющий прежние представления

Исследователи из Венского технического университета (TU Wien) обнаружили, что квантовые взаимодействия между частицами можно использовать для создания кристаллов времени с их собственным внутренним ритмом, что бросает вызов прежним представлениям об этих необычных структурах. Это открытие, опубликованное в журнале Physical Review Letters, демонстрирует, что квантовые корреляции могут способствовать созданию ритмической стабильности, хотя ранее считалось, что они её разрушают. Это может изменить понимание учеными свойств и формирования кристаллов времени.

Ритмические паттерны широко распространены в природе, от орбит планет до колебаний атомов. Обычно такие паттерны управляются внешними силами, такими как гравитация или энергия. В то время как большинство природных ритмов зависят от внешних воздействий, кристалл времени производит повторяющийся паттерн внутренне, без помощи извне. Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек впервые ввёл идею кристаллов времени в 2012 году, предположив, что эти структуры должны быть сильно изолированы, чтобы избежать квантовых флуктуаций. Однако новые результаты из TU Wien демонстрируют, что квантовые корреляции, напротив, могут поддерживать формирование кристаллов времени.

«Мы выяснили, что именно квантовые корреляции между частицами, которые ранее считались дестабилизирующим фактором для кристаллов времени, вместо этого могут порождать их», — заявил ведущий исследователь Феликс Руссо, докторант Института теоретической физики TU Wien.

Формирование кристалла времени аналогично формированию льда. Когда вода замерзает, её атомы переходят от случайного расположения к повторяющемуся паттерну, образуя лёд. В кристаллах времени этот переход происходит во времени, а не в физическом пространстве, создавая паттерн, который повторяется через равные промежутки. Квантовые флуктуации долгое время ассоциировались с нарушением порядка. Однако в этом эксперименте исследователи наблюдали, что эти флуктуации могут фактически стабилизировать повторяющийся временной паттерн, превращая то, что могло бы быть хаосом, в последовательный ритм.

«Сложные взаимодействия между частицами вызывают коллективное поведение, которое нельзя объяснить на уровне отдельных частиц, — пояснил Руссо. — Это похоже на то, как дым от задутой свечи может образовывать серию идеально расположенных дымовых колец — паттерн возникает из коллективного движения, а не от отдельной молекулы».

Команда разработала модель, используя двумерную решётку частиц, каждая из которых удерживается на месте пересекающимися лазерными лучами. Частицы в решётке взаимодействовали и обменивались энергией, что приводило к спонтанным колебаниям — своеобразному биению. Это создаёт самоподдерживающийся временной паттерн, который повторяется бесконечно, нарушая симметрию времени. Уникальная способность кристаллов времени оставаться в стабильном состоянии, ритмически изменяясь, бросает вызов традиционным идеям термодинамики.

Исследовательская группа из TU Wien показывает, что кристаллы времени — нечто гораздо большее, чем теоретическая концепция. Изучение того, как происходит их формирование и каково их поведение, может помочь ученым в создании новых квантовых материалов, улучшении квантовых вычислений и открыть дорогу для новых технологий.

«Изучение того, как порядок возникает из квантового хаоса, помогает нам исследовать границы возможного в многочастичных системах, — объяснил профессор Томас Поль из TU Wien. — Это может направлять разработку новых квантовых технологий, которые работают с минимальными затратами энергии».

Результаты этого исследования демонстрируют, что порядок может возникать из хаоса в непредсказуемом царстве квантовой физики. Это открывает новые пути для изучения того, как частицы взаимодействуют в группе. Результаты также предполагают, что идеальный порядок не всегда требуется; в некоторых случаях некоторая степень беспорядка и связей между частицами может фактически помогать стабилизировать квантовые системы.