Звичайний лід — це кристал, де молекули води акуратно розташовані в шістнадцятковій решітці. Коли лід тане, цей порядок розпадається, і кристалічна структура переходить у рідкий хаос. Але що, якби щось подібне могло статися з кристалом, структура якого існує не лише в просторі, а й у часі?

Якщо явище, відоме як часова кристалізація, могло б танути так само, як лід, це могло б призвести до стану матерії, відомого як часова рідина — стан, що зберігає короткочасний порядок у часі, навіть коли його довгострокова узгодженість розпадається.

Якщо це буде експериментально підтверджено, часова рідина може запропонувати фізикам новий спосіб дослідження того, як матерія реагує на коливання в навколишньому середовищі — і як порядок може виникати з того, що має бути безладом, навіть коли звичайні правила, що регулюють часові кристали, більше не діють.

Фізики, очолювані Зуо Ваном і Маріосом Х. Міхаелем з Інституту Макса Планка з фізики складних систем у Німеччині, зазначають: "Найяскравіший аспект дискретних часових рідин, як квантових, так і класичних, полягає в тому, що дискретний часовий кристал з кінцевою щільністю топологічних часових дефектів може відновити симетрію часової трансляції в середньому".

Їхні результати, які ще не пройшли рецензію, були завантажені на сервер попередніх публікацій arXiv.

Часові кристали є одним з найбільш захоплюючих явищ у сучасній фізиці. Уявіть собі лід — якщо ви могли б зменшитися до молекулярного масштабу і подивитися на нього, його решітка нагадувала б шістнадцятковий дитячий майданчик, з повторюваним малюнком у тривимірному просторі.

Часовий кристал розширює цю ідею — замість того, щоб просто повторювати малюнок у просторі, він повторює малюнок поведінки в часі.

Дослідники змоделювали свою роботу на принципах типу часового кристала, відомого як дискретний часовий кристал. Його повторюваний малюнок не є звичайними коливаннями атомів; він керується зовнішнім джерелом, таким як лазер, але має інший ритм. Уявіть один удар кристала на кожні два удари джерела.

Цей ритм кристала дуже стійкий — його не легко зрушити через невеликі порушення. Але що відбувається, коли сама рушійна сила нестабільна? Коли, замість стабільного ритму, кристал піддається ритму, що коливається непередбачувано?

Це те, що Ван і його колеги хотіли дослідити, і це може бути трохи концептуально складно, тому тримайтеся.

Дослідники розробили теоретичну модель, що складається з двовимірної решітки взаємодіючих спінів — уявіть собі аркуш з акуратною сіткою маленьких магнітних стрілок, як компасні стрілки. Цю решітку з'єднали з електромагнітною порожниною. Уявіть, що ви помістили аркуш стрілок у порожню камеру, як дзвін, що містить електромагнітне поле.

Тепер уявіть, що замість того, щоб вдарити по дзвону молотком, ви його нагріваєте. Випадкові теплові коливання викликають коливання електромагнітного поля, і ці коливання впливають на стрілки, спонукаючи їх повертатися та взаємодіяти з сусідніми.

Оскільки порожнина має природну резонансну частоту, коливання створюють приблизний ритм, навіть якщо ніхто не тримає час.

Лист стрілок — це система, яка може демонструвати часову кристалічну поведінку. Коливне електромагнітне поле є її рушієм.

Коли дослідники провели свої симуляції, з'явилося щось несподіване. За певних умов спіни почали тикати з частотою, вдвічі меншою за частоту порожнини, навіть якщо коливання, що їх викликали, були зовсім нерегулярними.

Але це не було схоже на звичайний дискретний часовий кристал. Хоча спіни зберігали свій характерний ритм в цілому, вони іноді виходили з ритму, перемикаючись між двома еквівалентними версіями свого повторюваного малюнка.

Дослідники називають ці перерви часовими солітонними — дефектами в часовому порядку, які порушують довгострокову узгодженість, не знищуючи основний ритм.

Ми зібрали досить уявну лабораторію, але тримайтеся ще трохи. Ми майже дійшли до рідини. Це те, де ми повертаємося до нашого танучого льоду.

Так само, як рідка вода зберігає певну локальну структуру, навіть після того, як довгостроковий порядок її кристалічної решітки розпадається, змодельовані спіни зберігали короткочасний часовий порядок, навіть коли довгострокова узгодженість розпадалася.

Це стан, який дослідники назвали дискретною часовою рідиною.

І ось ще один дивний поворот: теплові коливання не просто порушували спіни. Вони були відповідальні за те, щоб вивести їхній упорядкований малюнок.

При низьких температурах коливання були занадто слабкими, щоб створити характерний повторюваний малюнок. При середніх температурах спіни потрапили в свій ритм. А при високих температурах коливання стали настільки сильними, що порядок зовсім зник. Це як каша Гольдилокс, щоб зробити нашу дивну лабораторію ще трохи заплутаною.

Це означає, що додавання тепла може насправді створити порядок — але лише до певної межі.

Отже, чому комусь потрібно створювати фізичний еквівалент каші, поданої в червоному гарячому дзвоні і приправленої компасними стрілками та льодом? (Смачно.)

Ну, одна з причин пов'язана з тим, що називається симетрією часової трансляції — принцип, що закони фізики працюють однаково, незалежно від того, коли ви їх спостерігаєте, навіть якщо явища, які ці закони регулюють, поводяться по-різному з часом.

Часовий кристал порушує цю симетрію, встановлюючи повторюваний малюнок, який відрізняє певні моменти від інших.

Але в симульованій часовій рідині випадкові перемикання між різними версіями ритму означають, що в середньому ці відмінності можуть зникнути. Система зберігає локальний часовий порядок, не підтримуючи один узгоджений малюнок безкінечно.

Це підвищує можливість існування часової рідини навіть у термальному рівновазі, стані, в якому звичайні часові кристали не очікуються.

Поки що все це залишається чисто теоретичним. Дослідники ще не експериментально реалізували цю дивну суміш, хоча вони окреслили деякі можливості та потенційні обмеження.

Коли концепція часового кристала була вперше запропонована, багато фізиків вважали її неможливою, тому ми ще можемо побачити часову рідину.

І якщо ми це зробимо, це відкриє щось нове про дивні відносини між порядком і хаосом.