Новый тип хронокристалла переписывает концепцию времени

Хронокристалл, пульсирующий одновременно в ритмах порядка и хаоса, может показаться сюжетом из научно-фантастического романа, однако теперь это реальность. Исследователи из Калифорнийский университет, Беркли и Институт Макса Планка физики сложных систем представил новый вид кристалла времени, кристалл времени рондо, который раскрывает совершенно иной способ организации времени материей.

Хронокристаллы сами по себе достаточно странны. Они были теоретизированы в 2012 году Фрэнком Вильчеком и впервые наблюдались в 2016 году, действуя как кристаллы, повторяющиеся не в пространстве, а во времени. В отличие от алмазной решетки, которая демонстрирует повторяющийся узор атомов, хронокристалл демонстрирует периодические колебания без внешнего регулятора. По сути, частицы движутся со скоростью, не навязанной каким-то внешним импульсом, что само по себе нарушает ожидаемые пределы физики.

кристалл времени рондоОднако компания делает еще один шаг вперед. Вместо повторения фиксированного цикла времени он колеблется, сочетая в себе хаос и порядок. В краткосрочном масштабе система кажется хаотичной, но при наблюдении за более длительными временными интервалами она обнаруживает устойчивый, повторяющийся ритм. Это закономерность, которая не является ни периодической, ни совершенно непредсказуемой, а является чем-то средним, новой формой временного порядка, которая еще не определена.

Команда физиков сравнивает это с музыкальной структурой рондогде основная тема вновь появляется между более свободными и разнообразными разделами. Другими словами, временное поведение материала похоже на то, как «Рондо алла Турка» Моцарта снова и снова возвращается к своему основному мотиву, исследуя между ними более сложные вариации.

Чтобы создать этот новый кристалл времени, исследователи воспользовались так называемыми азотными вакансиями в структуре алмаза. Это крошечные «пробелы» в кристаллической решетке, в которых отсутствует атом рядом с атомом азота. Эти вакансии особенно полезны, поскольку они позволяют взаимодействовать со спинами атомов углерода-13 в материале.

Используя лазеры, команда гиперполяризовала ядерные спины этих атомов, а затем подвергла их воздействию импульсов, варьирующихся от строго периодических до совершенно случайных. Физики записали сотни циклов и заметили, что колебания системы могут поддерживаться более четырех секунд — впечатляюще долгое время на уровне квантовых систем.

Но самое парадоксальное заключалось в том, что, хотя в каждой отдельной временной последовательности проявлялись признаки беспорядка, общее состояние системы возвращалось именно к началу каждого цикла. Таким образом, если бы наблюдать за системой только в конце каждого цикла, можно было бы увидеть почти идеальное повторение. Напротив, в любой момент времени система выглядела нестабильной и хаотичной. Эта странная двойственная природа – идеально организованная в макроскопическом масштабе, но хаотичная на микровременном уровне – вот что делает кристалл Time rondeau уникальным.

Исследователи не остановились на его создании. Чтобы продемонстрировать, насколько управляема эта система синхронизации, они закодировали целое предложение текста в лазерные импульсы, используя ASCII. Практического применения этому пока нет, но эксперимент показывает, что временные структуры такого типа можно использовать. хранить информацию или функционировать как новый тип систем времени.

Это открытие открывает совершенно новый класс исследований того, как материя может организовывать свое время. Если хронокристаллы уже были одним из самых непредсказуемых классов фаз материи, то ритмы рондо привносят нечто еще более эксцентричное: своего рода материал, подчиняющийся одновременно двум хронологическим реальностям.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, обещает вызвать большой интерес к квантовым системам и непериодической динамике. И хотя приложения пока остаются теоретическими, ученые они верят, что такие системы однажды могут стать основой для новых методов вычислений или для устройств, использующих временные формы порядка, о существовании которых до сих пор мы даже не подозревали.