Чтобы сделать космический кристалл, необходимо огромное давление земной поверхности на минералы и магму. Но для создания кристалла времени нужны эзотерические уравнения и до смешного точные лазеры.
По крайней мере, именно так в прошлом году физики сформировали в лаборатории первый самостоятельный кристалл времени. Теперь они превратили его в еще более осязаемый объект, создав кристалл времени из обычных элементов, который может выдерживать комнатную температуру. О своей разработке они рассказали 14 февраля в журнале Nature Communications.
Если вам интересно, что такое кристалл времени (за пределами научной фантастики), то большинство физиков тоже задавались этим вопросом до недавнего времени. Это форма материи, которая была предложена только в 2012 году, а в зачаточном состоянии была замечена только в 2016 году.
Чтобы разобраться в этой странной главе квантовой механики, представьте себе кристаллическую структуру, например, кусок соли или алмаз. Атомы в глубине этих объектов расположены в повторяющихся, предсказуемых схемах в пространстве. Например, если вы возьмете кубик льда из морозильной камеры и увеличите масштаб, то увидите, что атомы водорода и кислорода в молекулах воды образуют мозаику из крошечных шестиугольников. (Именно поэтому снежинки имеют шестиугольную форму).
В результате физики также называют эти образования "космическими кристаллами". Но подобно тому, как три оси пространства образуют различные измерения, время также является измерением. Физикам стало интересно, смогут ли они найти кристалл - или что-то похожее на него - атомы которого образовывали бы повторяющиеся во времени узоры.
В течение последних нескольких лет лаборатории по всему миру работали над тем, как может выглядеть кристалл времени. Некоторые начинали с космического кристалла, атомы которого были расположены одним образом. Затем они облучали кристалл лазером с точной настройкой, чтобы "перевести" атомы в другое состояние, снова нагревали его, чтобы вернуть к первому расположению, затем ко второму, и так далее с точной регулярностью. Такая установка, управляемая лазером, называется "кристаллом дискретного времени". (Теоретически существуют и другие типы кристаллов времени).
В 2016 году физики из Университета Мэриленда создали базовый, но дискретный временной кристалл с атомами редкоземельного металла иттербия. Другие группы работали с экзотическими средами, такими как внутренности алмаза или волнистое состояние материи, называемое конденсатом Бозе-Эйнштейна. Совсем недавно, в ноябре 2021 года, физики из Стэнфордского университета и компании Google объявили, что им удалось создать кристалл времени в квантовом компьютере.
Но кристаллы раннего времени были ограничены. Во-первых, они обычно могут существовать только при криогенных температурах, едва превышающих абсолютный ноль, и непрактичны для большинства систем, которые используют обычные люди. Отчасти по этой причине кристаллы времени существовали в изолированных системах, таких как квантовые компьютеры, вдали от "реального мира". Более того, они не были долговечными: Переход от одного состояния к другому прекращался через несколько миллисекунд, почти как у заводной игрушки, у которой закончились нитки.
И так же, как космический кристалл может быть большим или маленьким в пространстве, в зависимости от того, насколько часто повторяется паттерн, кристалл времени может быть длинным или коротким, в зависимости от продолжительности каждого состояния. До сих пор кристаллы времени были, как правило, короткими или "маленькими". Это оставляло место для роста.
Итак, эта международная группа физиков занялась разработкой кристалла времени, который обошел некоторые из этих проблем и, надеемся, будет работать в реальном мире. Их устройство состоит из кристалла около 2 миллиметров в поперечнике, созданного из атомов фтора и магния. Он использует пару лазеров для перемещения между шаблонами и может делать это при температуре 70 градусов по Фаренгейту (комнатная температура).
После того, как команда закончила точную настройку своих систем, они обнаружили, что могут создавать различные кристаллы времени, "большие", чем все, что было замечено ранее. "Время жизни созданных дискретных кристаллов времени в нашей системе, в принципе, бесконечно", - сказал в подкасте "Physics World Weekly" Хоссейн Тахери, инженер-электрик из Калифорнийского университета в Риверсайде и соавтор исследования.
"Как правило, в физике везде, где есть путь для обмена энергией между системой и окружающей средой, через этот же путь проникает и шум", - сказал Тахери в подкасте. Это может нарушить тонкую физику, необходимую для формирования кристаллов времени, поэтому их необходимо удерживать такими непрактичными средствами". Но Тахери и его коллеги смогли обойти эти ограничения, поддерживая изменение состояния с помощью двух лазеров.
Благодаря достижениям исследователей, кристаллы времени могут стать на один шаг ближе к тому, чтобы существовать за пределами лаборатории. Если это так, то какое применение они могут найти?
Никто не собирается в ближайшее время устанавливать кристаллы времени в машины времени или варп-двигатели, но их точные свойства могут хорошо сочетаться с атомными часами или кремниевыми чипами для специализированных устройств. Или, поскольку они приводятся в движение лазерным светом, они могли бы поддерживать более прочные оптоволоконные соединения. Кроме того, они могут помочь людям лучше понять квантовую физику и уникальные состояния материи.
"Мы можем использовать наше устройство для предсказания того, что мы можем наблюдать в гораздо более сложных экспериментах", - сказал "Physics World Weekly" Андрей Мацко, инженер из Лаборатории реактивного движения в Пасадене, Калифорния, и еще один из авторов работы.
На самом деле, он и его команда считают, что кристаллы времени могут породить целую область исследований с красивым научно-фантастическим названием: "тиметроника".
"Я верю, что тиметроника уже не за горами", - сказал в подкасте Кшиштоф Сача, физик из Ягеллонского университета в Кракове (Польша) и соавтор исследования. Так что, хотя до возможности держать в руках кристаллы времени еще далеко, они могут появиться в вашем мире раньше, чем вы ожидаете".