company_banner

Ученые получили первый снимок кристалла времени

    Благодаря последнему прорыву, жутковатые колебания новой пульсирующей формы материи были впервые сняты на пленку с помощью специального микроскопа. Он позволяет нам увидеть эту странную, фазовую форму вещества, которая сильно отличается от привычных нам твердых тел, жидкостей, газов и плазмы.

    Снимок сделал «Максимус», ультрамощный рентгеновский микроскоп в Центре Гельмгольца в Берлине. Он дает нам представление о поведении новых кристаллов времени, которые впервые были экспериментально созданы в лаборатории в 2016 году. Открытие обещает «выдающиеся новые прорывы в фундаментальных исследованиях», — говорится в материале, опубликованном немецко-польской командой в Physical Review Letters.

    Что такое кристалл времени

    Один из экспериментов, в результате которого появился первый кристалл времени
    Один из экспериментов, в результате которого появился первый кристалл времени

    Вкратце, временные кристаллы — это объекты, которые проявляют свойства кристаллов как в пространстве, так и во времени.

    Чтобы понять их свойства, можно сначала убрать четвертое измерение, время, и рассмотреть обычный трехмерный кристалл. Что это такое? Набор атомов, расположенный в определенной повторяющейся, систематической последовательности.

    Скажем, кубики льда. Прежде чем вода кристаллизуется, пространство, которое она занимает, является однородным. Вы можете взять пробу снизу, сверху или где-нибудь в середине стакана, и получить одну и ту же бесформенную массу. Что является одним способом показать то, что пространство демонстрирует симметрию.

    Тем не менее, когда вода кристаллизуется, атомы образуют жесткие заданные структуры. Пространство, занимаемое кристаллом, стало периодическим, у него есть некоторый алгоритм. Кристалл нарушил пространственную симметрию, потому что он показывает повторяющиеся узоры в некоторых направлениях.

    Точно так же, как атомные решетки обычных кристаллов повторяют регулярные узоры в пространстве, кристаллы времени повторяют регулярные узоры во времени. На практике это означает, что они демонстрируют так называемую временную периодичность, колеблясь между одной и другой энергетической конфигурацией, как часы.

    Франк Вильчек
    Франк Вильчек

    Гипотезу о существовании временных кристаллов в 2012 году выдвинул лауреат Нобелевской премии по физике Франк Вильчек. Он представил материю, в которой, при всей внешней стабильности, происходят некие энергетические колебания. То есть, она меняется не в пространстве, а во времени. Вильчек говорил, что такие структуры могут существовать, если они получают энергию для своей осциляции из разлома в симметрии времени. По его расчетам, атомы могут образовывать постоянно повторяющуюся решетку во времени, возвращаясь в исходное положение спустя одинаковые интервалы, тем самым нарушая временную однородность (симметрию).

    Кубик льда — довольно редкое явление в природе. У него низкая энтропия, он склонен к разрушению. То же самое и с временными кристалами: найти их в природе, по крайней мере на Земле, невозможно. Сам факт их существования представлялся крайне сомнительным. Структуры казались слишком эфемерными и далекими от реальности.

    Точно так же, как физика допускает спонтанное образование кристаллов, периодичность которых нарушает симметрию (однообразность) пространства, также она должна допускать спонтанное образование временных кристаллов, периодичность которых нарушает симметрию времени. Согласно Вильчеку, это проявится в периодическом колебании различных термодинамических процессов.

    Вильчек представил систему в ее минимально возможном энергетическом состоянии, фактически замороженную в пространстве. Как нормальный кристалл, только полностью изолированный от пространственных колебаний. Тогда его колебания во времени можно будет засечь.

    Идея казалась довольно странной — новый вид материи, отличающийся от других своим поведением в четвертом измерении. Но в сентябре 2016-го группа ученых в лаборатории Мэрилендского университета в Колледж-Парке неожиданно подтвердила теорию Вильчека. Они создали первый временной кристалл. Для этого использовалось кольцо ионов иттербия, охлажденных почти до абсолютного ноля (0,0000000001 К). В структуре было зафиксировано нарушение временной симметрии.

    Изображение эксперимента в Мэрилендском университете
    Изображение эксперимента в Мэрилендском университете

    Новая материя действительно показывала необычные свойства. Когда на кристалл времени оказывалось воздействие с определенным периодом или частотой, он не реагировал на той же частоте, а модифицировал её «под себя». Если лазер подавал импульс на цепочку ионов (формирующую кристалл времени) каждые десять секунд, эти ионы реагировали с периодом не в десять, а в двадцать, тридцать, сорок секунд. Или другое число, кратное первоначальному периоду.

    Можно представить три ребенка, прыгающих через веревку. Андрей и Ваня её раскручивают, а Катя прыгает. Каждые три секунды руки ребят делают полный круг и возвращаются в свое изначальное положение. Веревка обходит Катю, ей нужно один раз подпрыгнуть. Между объектами установлена симметрия во времени, период которой равен трем секундам.

    Теперь, чтобы представить временной кристалл, нужно нарушить эту временную симметрию. Система будет реагировать на другой частоте. Руки Андрея и Вани совершают несколько полных оборотов, а веревка делает только один оборот. То есть, они прокрутили веревку четыре раза, но Кате нужно перепрыгнуть только один раз. Что довольно-таки странно (хотя и не так странно, как квантовая механика, в правильности которой теперь мало кто сомневается).

    После группы из Мэрилендского университета успешный эксперимент с созданием кристаллов времени провели их коллеги из Гарварда. Они использовали совершенно другую экспериментальную установку с плотно упакованным азот-вакансионными центрами в алмазах. И снова — временные кристаллы получилось создать, пусть и в нано-масштабе.

    Установка для создания временного кристалла из Гарварда
    Установка для создания временного кристалла из Гарварда

    Система тут была сложнее, атомов в ней — больше, и она хорошо демонстрировала это необычное свойство временного кристала: отклик на взаимодействие с интервалом, превышающим интервал взаимодействия. Структуру облучали лазером с интервалом T, а материал реагировал с интервалом 2T. Это крайне странное свойство, которое отсутствует в обычных материалах. Можно представить кубик желе, который начинает колебаться только со второго щелчка.

    При этом новый тип материи очень четко и структурированно переходил из одной конфигурации в другую, как часы. Поэтому ученые предполагают, что в итоге из временных кристаллов можно будет делать устройства для измерения времени (атомные часы). Их также думают использовать в качестве средства хранения памяти, «жесткого диска» в квантовых компьютерах. Собственно, обе команды, из Мэрилендского университета и из Гарварда, до этого занимались квантовыми компьютерами. Поэтому, по их словам, им и удалось так быстро переключиться на временные кристаллы. Системы используют одни и те же принципы, разрабатываются похожим образом, и кажутся как будто созданными друг для друга.

    Норман Яо, физик из Калифорнийского университета в Беркли, который в 2017-м впервые опубликовал схему для создания и отслеживания временных кристаллов, а также помогал команде Гарварда, рассказывает:

    Последние полвека мы исследовали только временно-равновесное вещество, как в металлах и диэлектриках. Мы только сейчас начинаем изучать целый новый мир неравновесного вещества.

    Чуть более детальный разбор свойств и методов получения временных кристаллов на Хабре можно найти вот тут. А ещё подробнее — тут (на английском).

    Что сейчас

    Исследования свойств временных кристаллов продолжаются. Для ученых это настоящий кладезь знаний, вопросов здесь гораздо больше, чем ответов. Детальное исследование вышло в феврале в Physical Review Letters. Работу совместно провели ученые из Института интеллектуальных систем Макса Планка, Университета им. Адама Мицкевича и Польской академии наук.

    Совместная немецко-польская команда смогла создать гораздо (в несколько миллионов раз) больший кристалл времени, чем раньше. Причем при комнатной температуре. Они получили новый тип материи путем сильной однородной микроволновой накачки мазером полосы пермаллоя микронного размера. Их кристалл состоит из магнонов — квазичастиц, связанных со спином электронов в магнитном материале. Один из ученых, Ник Трегер, говорит, что проще всего осмыслить эту концепцию, представив магноны как аналог фотонов. Точно так же, как фотоны — это квантование света, магноны — это квантование спиновой волны внутри магнитного материала.

    В своем эксперименте Ник Трегер, Павел Грушецкий и другие поместили маленькую полоску магнитного материала на микроскопическую антенну, через которую они посылали радиочастотный ток. Это микроволновое поле вызвало колеблющееся магнитное поле — источник энергии, который стимулировал в полоске магноны (квазичастицы спиновой волны).

    Магнитные волны перемещались по полоске налево и направо, периодически спонтанно формируясь в повторяющийся узор в пространстве и времени. В отличие от обычных стоячих волн, этот узор формировался еще до того, как две сходящиеся волны могли бы встретиться и пересечься. Вывод: эта закономерность, узор, который регулярно исчезает и снова появляется сам по себе, должен быть квантовым эффектом. Собственно, его мы и можем наблюдать на выпущенном учеными видео:

    Ник Трегер говорит в интервью, выложенном на сайте Института интеллектуальных систем Макса Планка:

    Это, конечно, немного странно и сбивает с толку. Но, вкратце, мы индуцируем магноны в полосе с помощью антенны поверх структуры. То есть, все, что вы можете увидеть в этом видео, представляет собой периодический узор (формируемый магнонами). Он следует собственному периодическому движению в пространстве-времени, то есть формирует временной кристалл.

    Гизела Шютц, директор Института интеллектуальных систем им. Макса Планка, возглавляющая отдел современных магнитных систем, в статье отмечает уникальность рентгеновской камеры «Максимуса», которая смогла запечатлеть этот снимок:

    Она не только может видеть фронты волн с очень высоким разрешением, в 20 раз четче, чем лучший световой микроскоп. Она может делать это со скоростью до 40 миллиардов кадров в секунду, а также с чрезвычайно высокой чувствительностью к магнитным явлениям.

    Павел Грушецкий, ученый с физического факультета Университета Адама Мицкевича в Познани, говорит:

    Мы смогли показать, что пространственно-временные кристаллы намного более устойчивые и распространенные, чем ранее полагалось. Наш магнонный кристалл формируется при комнатной температуре! И частицы могут взаимодействовать с ним — в отличие от изолированной системы, создаваемой при абсолютном ноле. Более того, он достиг размера, который можно было бы использовать. Такой эксперимент открывает массу потенциальных полезных применений для этого нового вида материи.

    Йоахим Грефе, последний автор публикации в Physical Review Letters, делает вывод:

    Классические кристаллы, как мы знаем, имеют очень широкую область применения. Теперь мы видим, что существуют кристаллы, которые могут проявлять свои свойства не только в пространстве, но и во времени. Это позволяет добавить еще одно измерение для возможных вариантов их использования.

    Мне кажется очевидным, что временные кристаллы будут полезны там, где нужны очень эффективные устройства для частотных манипуляций или проведения точных отсчетов. Потенциал для технологий связи, радаров или квантовых машин — огромен.

    Наши коллеги также в восторге от того, как эти структуры можно применять для исследования физики нелинейных волн. Но для начала сейчас мы хотим получить более фундаментальное понимание временных колебаний кристаллов пространства-времени. И только после этого будем думать о том, как это можно использовать на практике.

    На правах рекламы

    Ни в коем случае не призываем вас покупать услуги дата-центра именно у нас. Наоборот, обязательно сравнивайте разных поставщиков. Просто в сравнительную таблицу не забудьте добавить и аренду стоек от ITSOFT.

    ITSOFT
    Поддержка сайтов на базе собственного дата-центра

    Комментарии 63

      +28
      Поразительно! Даже снимок кристалла в jpg-картинке на мониторе меняется со временем! :)
        +5
        Вам надо выспаться.
          +7
          Даже снимок кристалла в jpg-картинке на мониторе меняется со временем!
          Ну, дык!
          image

          (только осторожно!, не провалитесь внутрь)
            +2

            да ну нафиг:)

              +4
              (только осторожно!, не провалитесь внутрь)
              Это надо было до картинки писать, а то я сначала провалился :)
                0

                Не действует :(

            +26
            Теперь осцилляторы называются «кристаллами времени»?
              +29

              А ещё там есть разломы времени и энергия изнасилованного журналиста!

                +2
                И при этом энергия изнасилованного жураналиста равна произведению массы изнасилованного журналиста на квадрат скорости света из фонарика изнасилованного журналиста!
                  +1
                  Но это неточно:)
                +1

                Из того что лично я понял — осцилляторы себя так не могут вести — https://m.habr.com/ru/company/itsoft/blog/545076/comments/#comment_22757196

                  +10
                  так скоро и остальные 6 «кристаллов» бесконечности найдут
                    +3

                    Главное чтобы Танос их не нашел:)

                    0
                    Осциляторы вроде как дают обычный отклик, а тут именно запаздалый. Хотя может быть там в протифовазу идет реакция на воздействие типа гасится осцилированием… Вопрос интересный
                      –2

                      Я вчера приготовил нано-квантовую вареную молекулярную картошку.
                      И слопал с селедкой.
                      и в моем абсурдомете еще дохрена патронов.
                      ПС. Бросьте в меня камень, кто считает что там нет молекул и наночастиц и картошка не существовала в каком-то из квантов времени от чистки до поглощения. И после..

                      0
                      Отлично, подойдет в качестве делителя или умножителя частоты для СВЧ
                        +1

                        0.5+ кВт мощности на миниатюрный кристаллик (больших пока не научились делать)? Он же просто испарится.

                          0
                          Ну, это сделают. А маленькие кристаллы подойдут для преобразования СВЧ в терагерцовые волны
                        +1
                        Можно представить кубик желе, который начинает колебаться только со второго щелчка.

                        Или можно представить себе Венерину Мухоловку, которая срабатывает только после второго касания.
                        +1

                        А кварц не тоже самое делает?

                          +4

                          Насколько я понял (и простите меня заранее за дурацкие аналогии)


                          Кварц:


                          представьте что вы раскачиваете кого-то на качелях (качели это аналог кварца); если период колебаний качели 2 секунды, то вы можете их эффективно подталкивать кратно 2 секундам (раз в 2, 4, 6 секунд и тд) — в момент подталкивания качели будут все время в ближайшей к вам точке и вам их надо просто толкать вперёд (все время в одном направлении). При этом как бы вы не старались (при условии что вы толкаете качели все время в одну сторону), вы не сможете подталкивать их чаще (раз в секунду, например) — потому что они в это время двигаются в другом направлении.

                          .
                          .
                          Временной кристалл:


                          а это такие «качели», которые надо подталкивать чаще а не реже — для качелей с периодом колебаний в 2 секунды — подталкивать надо раз в секунду, в пол секунды, в четверть секунды и тд. При этом вы достигнете успеха в раскачке «качелей» если каждый раз толкаете их в одном и том же направлении. С обычными качелями у вас ничего не выйдет при таком подходе — направление подталкивания будет совпадать с направлением движения качелей только половину времени, в оставшуюся половину времени ваши действия будут только мешать (не в ту сторону толкаете). А вот с временным кристаллом это возможно.
                            0
                            В вашей аналогии Временной кристалл — это самостоятельное раскачивание качелей. Там всё-таки пассажир в каждой верхней точке амплитуды совершает усилия для раскачивания.
                              0

                              Там во всех экспериментах на кристалл воздействуют чём-то, поэтому нет, самостоятельно ничего не «раскачивается»


                              Ну а в моем примере качели без пассажира везде

                              0
                              Вроде как любой осциллятор колеблется на частоте, близкой к собственной, с какой частотой его ни подталкивай.
                                0

                                Вынужденные колебания — это когда вы все время качели «за ручку водите», а я вам про резонанс


                                https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Резонанс


                                Также важно, что раскачивать маятник нельзя на кратных частотах (высших гармониках), зато это можно делать на частотах, равных долям от основной (низших гармониках).
                                  0
                                  Думаю, для нелинейного осциллятора правило «не раскачивается от высших гармоник» работать уже не будет, по крайней мере для удвоенной частоты.
                                    0

                                    Конечно, просто это уже чуть другая задача как мне кажется. Ну и эффект «резонанса наоборот во временном кристалле», не знаю как лучше это назвать, скорее всего сохранится (в усложнённом нелинейном виде).


                                    В общем и целом, похоже что никакой магии нету, и это некий интересный эффект о котором раньше не задумывались

                                0
                                спасибо
                                  +1
                                  Похоже на спин 1/2, два раза повернуть чтобы вернуться в прежнее положение.
                                +5

                                Честно говоря, сначала повествование было похоже на сюжет к сериалу "Доктор Кто".
                                Но теперь вижу, что на наших глазах происходит ещё одно фундаментальное открытие, затрагивающее основные законы физики.


                                Если лазер подавал импульс на цепочку ионов (формирующую кристалл времени) каждые десять секунд, эти ионы реагировали с периодом не в десять, а в двадцать, тридцать, сорок секунд.

                                Интересно, а что будет, если в какой-то момент резко выключить излучение?
                                Может быть, будет как в том анекдоте:
                                Вышел поручик Ржевский на улицу и воскликнул:


                                • "Господи! Красота-то какая!"
                                • "ять, ять, ять..." — привычно ответило эхо.
                                  +2
                                  Ну вообще-то снимок на КДПВ получили аж четыре года назад, а новость-то про магноны и существование STC при нормальных условиях. Но всё равно спасибо, захватывающе.
                                    0

                                    Честно говоря не понял. Почему ответная реакция на колебания, приводящая к более редкому колебанию кристалла нащывают временным кристаллом? Я так понимаю временной по аналогии с пространственным должен означать, что движения промсходят в двух направлениях пространства, т.е. в данном слвчае в двух направлениях времени, т.е. и в будущее и в прошлое(или в будущее и в более далекое будущее), но про это ничего не сказано. Не пойму как здесь проведена аналогия с пространственным кристаллом, который занимает пространство на интервале пространства.

                                      –2
                                      Ну вот еще одна тема для вышибания грантов :-)
                                        –1
                                        Честно говоря, ничего не понял, но читалось очень интересно!
                                          0

                                          А зачем там предложение про прыгалки?
                                          Оно сбивает всё повествование. Очень трудно потом собрать в единое целое о чем собственно статья.

                                            +2
                                            Паяют в Гарварде так себе.
                                              +3

                                              Не понял, за что минус. Пайка действительно не фонтаний. И с каверной

                                              +1
                                              Я правильно понял что злавная картинка — топовая — не несет смысловой нагрузки и не является схмеой-рисунонком того самого сника кристала времени?
                                                +2
                                                Можно представить три ребенка, прыгающих через веревку

                                                Чему вас, гуманитариев, только учат.
                                                  +3
                                                  «три сферических ребенка, прыгающих в вакууме через струну, колеблющуюся в 11 измерениях » — так аналогия будет немного ближе
                                                    0
                                                    незакрепленную ))
                                                  +1
                                                  временные кристаллы — это объекты, которые проявляют свойства кристаллов как в пространстве, так и во времени

                                                  А есть объекты, которые со временем меняются, но в пространстве остаются неизменными?
                                                    0

                                                    Зависит от выбора системы координат и модели. Объект может не менять своих координат в пространстве, но изменять свою структуру со временем. Скажем есть три пространственные координаты и температура, которая меняется со временем.

                                                    +1
                                                    читать довольно интересно, спасибо
                                                      0

                                                      Вопрос для тех, кто разобрался в сабже. Допустим есть светодиод со свойствами временного кристалла. Какие это свойства? Если включать и выключать его с периодом Т, то но будет реагировать с задержкой, скажем, 2Т? Или, как в примере с желе, нужно будет два цикла включения и выключения чтобы он среагировал? Или начнет мигать с каким-то своим периодом, как бы мы не меняли Т?

                                                        0
                                                        Скорее всего это может быть и делитель и умножитель, если исходить из того что и частота и временная кристаллическая решетка может быть разной.
                                                        Но опять же не зря в комментариях проводятся аналогии с кварцами, тут вроде получается что размер «кристаллов» фиксированный и какую частоту на вход не подавай — резонанс будет на одной частоте.
                                                        +2
                                                        Благодаря последнему прорыву, жутковатые колебания новой пульсирующей формы материи...
                                                        Не нашел в тексте, почему колебания названы жутковатыми. Или это устоявшийся термин, такой как «странный, очарованный и прелестный» по отношению ко кваркам?
                                                          +8
                                                          Видимо кварк может быть странный, очарованный и прелестный, а колебания — жутковатыми, кринжеватыми и странноватыми
                                                            +2
                                                            Скорее всего, имеется ввиду что кристал отвечает, именно поэтому этот эффект и выглядит жутковато, хотя это и является просто повторением.
                                                            +1
                                                            впервые сняты на пленку с помощью специального микроскопа

                                                            "На плёнку"? Цифровых камер у них нет?

                                                              +1

                                                              Хипстеры:)

                                                                –1

                                                                Там же рентгеновское излучение фиксировали. Его лучше на плёнку. Мы в универе тоже когда структуру кристалла исследовали на рентгеновской установке, то результаты на специальную плёнку записывались, а потом плёнку проявляли. Даже если вспомнить рентген или флюшку в больнице, то результаты на плёнку пишутся. Во первых, разрешение у пленки больше, т.к. пикселем является по сути молекула. А во вторых, имхо, матрица цифровой камеры от рентгена быстро испортится, а менять пленки дешевле чем матрицы.

                                                                  +1
                                                                  Даже если вспомнить рентген или флюшку в больнице, то результаты на плёнку пишутся
                                                                  Только в кино/сериалах и в совсем уж нищих бюджетных российских учреждениях. Медицинские рентгены давно уже цифровые. Сразу с DICOM и т.д.

                                                                  Во первых, разрешение у пленки больше, т.к. пикселем является по сути молекула
                                                                  Конечно же нет. Дважды нет, причём.

                                                                  матрица цифровой камеры от рентгена быстро испортится
                                                                  Конечно же нет. Матрица там, конечно же, расчитана именно на рентгеновский диапазон
                                                                0
                                                                «Кристалл времени как простейшая парадигма камня бесконечности». Так победим!
                                                                  0
                                                                  Достаточно занимательная статься. Объяснение неплохо. Мне, как человеку не столь близкому к квантовому миру, в основмном, был понятен данный материал.
                                                                    –5

                                                                    Упорно ищу на календаре апрель. Но сейчас март.
                                                                    И это страшно. Страшно, что такие статьи выходят не в апреле.
                                                                    Ведь это кто-то написал.

                                                                      0
                                                                      А что не так-то с этой статьёй?
                                                                      0

                                                                      Тогда это не кристалл времени, а кристалл души.
                                                                      с первого пинка просыпается, со второго реагирует.

                                                                        +1
                                                                        *полиция времени из Рика и Морти.jpg*
                                                                          0
                                                                          Правильно ли я понял, что временной кристалл, — это, как детская каруселька, на которой сидит четверо детишек. У одного из них — пластмассовое ведероко. Вы раскручиваете карусельку, толкая каждое сиденье на ней, но ведерком вам прилетает только в одном случае из четырёх. Вы бы могли толкать и чаще, если бы было от чего оттолкнуться в этой карусельке — обруч, например, по наружнему краю, но ведерком вам будет прилетать, всё равно, только в одном случае из четырёх. Кстати, сидушек на карусельке может быть сколько угодно, как и ведёрок у детишек. Тогда можно получить почти любую дробь…
                                                                            0

                                                                            На ум приходит, названная маргинальной несколько раз в комментариях на Хабре теория Симона Шноля, который как раз пытается донести о таких вот временных закономерностях. Осцилляторы это сфера его деятельности, а Жаботинский, соавтор той самой знаменитой в сфере реакции совместно с Белоусовым, его студент.


                                                                            Это всё к слову, ничего сказать не могу больше. Я слишком глуп для этого.

                                                                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                                            Самое читаемое