Учёные создали первые в истории видимые временные кристаллы с помощью света — и однажды они могут появиться на 100-долларовых купюрах

Учёные разработали первые в истории временные кристаллы, которые видны невооружённым глазом — и однажды они могут появиться на 100-долларовых купюрах.

Временные кристаллы возникают из изломов, которые образуются, когда свет падает на жидкие кристаллы — те самые, что используются в ЖК-экранах.

В отличие от предыдущих временных кристаллов, эти «психоделические тигриные полосы» видимы, сообщили исследователи в заявлении. Это открывает для науки новое окно в изучение этой необычной фазы материи, а также сулит ряд практических применений — от телекоммуникаций до систем защиты от подделок и хранения данных. Учёные опубликовали свои выводы 4 сентября в журнале Nature Materials.

«Их можно наблюдать напрямую под микроскопом и даже, при особых условиях, невооружённым глазом», — сказал ведущий автор исследования Ханьцин Чжао, аспирант физического факультета Университета Колорадо в Боулдере.

Впервые предложенные в 2012 году лауреатом Нобелевской премии физиком Франком Вильчеком, временные кристаллы представляют собой группы частиц, которые повторяются во времени так же, как другие кристаллы повторяются в пространстве. Такое поведение особенно интригует физиков, ведь физические законы полностью симметричны в пространстве и в основном во времени, что обычно ведёт к одинаковым результатам независимо от направления — будь то в пространстве или во времени.

Однако кристаллы нарушают эту симметрию, выстраиваясь в предпочтительном пространственном направлении. Это означает, что несмотря на сохранение фундаментальной симметрии физических законов, эти законы создают для кристаллов разные результаты в зависимости от направления их действия.

И так же, как кристаллы нарушают симметрию в пространстве, временные кристаллы нарушают её во времени. Они существуют в наименьшей возможной энергии, допустимой квантовой механикой, и колеблются между двумя состояниями, не замедляясь.

Эти удивительные свойства привели к утверждениям, что временные кристаллы являются машинами вечного движения, нарушающими второй закон термодинамики, но это не так. Кристаллы, которые приводятся в движение фотонами — частицами света, — не могут ни терять, ни получать энергию; всё, что делает падающий на них свет, — это заставляет их повторять своё «двухсостояние» колебание.

С момента предложения Вильчека физики создавали и исследовали временные кристаллы внутри алмазов, квантовых компьютеров и атомов рубидия, возбужденных до размеров, превышающих их обычные в сотни раз. Однако такие кристаллы невозможно увидеть напрямую — их изучают через колебания лазерного света.

Чтобы создать свои видимые временные кристаллы, учёные из новой работы поместили жидкие кристаллы — молекулы в форме стержней, которые ведут себя одновременно как твёрдые тела и как жидкости, — между двумя покрытыми красителем стеклянными пластинами. Если их сжать особым образом, эти молекулы образуют изломы, которые могут перемещаться и даже вести себя как атомы.

«У вас есть эти закрученные структуры, и их нельзя просто так убрать», — сказал соавтор исследования Иван Смалюк, профессор физики Университета Колорадо в Боулдере. — «Они ведут себя как частицы и начинают взаимодействовать друг с другом».

Освещая стеклянные пластины светом, учёные заставили покрывающие их молекулы красителя смещаться в ответ и, в свою очередь, сжимать жидкие кристаллы, образуя тысячи новых изломов, которые «танцевали» по раствору во взаимодействиях, регулярно повторяющихся во времени. Даже когда исследователи повышали или понижали температуру, движения изломов оставались неизменными.

«Всё рождается из ничего», — сказал Смалюк. — «Всё, что нужно, — это направить свет, и возникает целый мир временных кристаллов».

Помимо прогресса в фундаментальной физике, исследователи отмечают, что их новая система однажды может быть использована для создания «временных водяных знаков», уникальные узоры которых сделают купюры крупного номинала более устойчивыми к подделке. Слоение кристаллов также может создавать ещё более сложные узоры, способные хранить большие объёмы данных.

«Мы не хотим сейчас ограничивать область применения», — сказал Смалюк. — «Я думаю, есть возможности продвигать эту технологию во множестве направлений».

Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.