Представьте себе обычный кристалл кварца: его атомы упорядочены в пространстве, создавая повторяющийся узор. Кристалл времени устроен иначе — его структура повторяется не в пространстве, а во времени. Долгое время считалось, что такие системы невозможны, поскольку они нарушают привычную симметрию времени.
Летающие кристаллы времени можно увидеть невооруженным глазом
Исследователи из Нью-Йоркского университета совершили прорыв в изучении экзотических состояний материи, создав «кристалл времени», видимый невооруженным глазом. Ученые использовали акустическую левитацию для управления микросферами, заставив их спонтанно пульсировать в ритме, который не навязан внешними силами.
Движения двух шариков в левитирующей системе. NYU's Center for Soft Matter Research
Почему это не «вечный двигатель»? Главная трудность в понимании кристаллов времени — это иллюзия нарушения законов термодинамики. Кажется, что объект движется вечно без затрат энергии. На самом деле кристалл времени находится в устойчивом состоянии, где его конфигурация меняется, но не теряет энергию на трение в привычном смысле. В новом опыте энергия звука поддерживает левитацию, но сам «ритм» кристалла рождается внутри системы как спонтанное нарушение симметрии, а не диктуется частотой динамика.
Но физики доказали, что определенные системы могут демонстрировать периодическое движение без постоянной подкачки энергии извне. В новом эксперименте ученые использовали звуковые волны, чтобы заставить крошечные бусины левитировать. Звуковое давление удерживает легкие объекты, такие как капли или частицы пенопласта, вопреки гравитации. Но магия начинается тогда, когда в ловушку попадают две частицы разного размера. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Симфония обратной связи
Главным фактором стало взаимодействие между бусинами через отраженные звуковые волны. Разница в размерах заставляет частицы по-разному реагировать на акустическое поле и влиять друг на друга. Исследователи обнаружили четыре динамических состояния, два из которых полностью соответствуют определению кристалла времени.
Бусина? Левитирует!
«Звуковые волны воздействуют на частицы — точно так же, как волны на поверхности пруда могут воздействовать на плавающий лист», — объясняет ведущий автор работы Миа Моррелл. По ее словам, взаимодействие объектов похоже на два парома разного размера, подходящих к причалу: каждый создает волны, которые толкают соседа с разной интенсивностью. Важно, что возникшее колебание системы является внутренним свойством их тандема, а не прямым следствием частоты звука.
Эта работа переводит изучение кристаллов времени из области сложных квантовых вычислений в сферу классической физики. Имея под рукой простую визуальную модель, ученые смогут быстрее тестировать гипотезы о том, как такие структуры ведут себя в долгосрочной перспективе.
Простота системы удивляет: то, что раньше требовало сверхнизких температур и лазерных ловушек, теперь можно наблюдать в лабораторной установке, работающей на принципах акустики. Это открывает путь к новым методам хранения данных и созданию сверхточных датчиков, где информация кодируется не в положении частицы, а в ритме ее вечного танца.