Кристаллы времени

Кристофер Монро всю жизнь работает с атомами и светом. Он собирает частицы в кольца и цепочки, а затем обрабатывает их лазером. В будущем он намерен выпускать квантовые компьютеры. Массово. Но в прошлом году он решил попробовать нечто новое и, казалось бы, невозможное: создать кристалл времени.

Словосочетание звучит как реквизит из «Доктора Кто», но корни его уходят в настоящую физику. Кристаллы времени - это гипотетические структуры, которые пульсируют, не требуя никакой энергии, Словно тикающие часы или атомы кристалла, повторяемые в пространстве. Идея настолько сложная, что когда в 2012 году физик, лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек предложил собственную концепцию, другие исследователи быстро оспорили ее: дескать, создать кристаллы времени невозможно.

Однако была лазейка - и ученые решли воспользоваться ею. Первоначально команда Монро, физика из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, использовала цепочки атомов, которые они построили для других целей, но затем решили воспроизвести собственную версию кристалла времени.

Параллельно действовала группа исследователей из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс. Независимо от Монро она вылепила кристаллы времени из «грязных» алмазов.

Обе версии принято считать кристаллами времени, хотя они оказались не такими, как первоначально предполагал Вильчек.

Но в результате был открыт новый вид материи — постоянно меняющееся множество квантовых частиц, которое никогда не достигает устойчивого состояния. Эти системы черпают стабильность из случайных взаимодействий с другими формами материи. Таким образом, возникает новый вид порядка, ранее неизвестный математике. Физики-экспериментаторы уже планируют, как использовать особенности этих странных систем в квантовых компьютерах и сверхчувствительных магнитных датчиках.

Перерыв

Вильчек размышлял о кристаллах времени как об универсальном способе нарушать правила. Законы физики симметричны в том смысле, что они одинаково применимы ко всем точкам пространства и времени. Однако многие системы нарушают эту симметрию. В магните атомные спины выстроены в линию, а не направлены во все стороны. В минеральном кристалле атомы занимают определенные позиции в пространстве, и он не выглядит таким же, если с ним провести некоторые манипуляции. Когда преобразование вызывает изменение свойств, физики называют это нарушением симметрии, хотя оно проявляется везде - в природе магнетизма, сверхпроводимости и даже в механизме Хиггса, ппередающим всем частицам то, что мы называем «массой».

Тогда, в 2012 году Вильчек, который сейчас работает в Стокгольмском университете, задавался вопросом: почему симметрия никогда не нарушается самопроизвольно во времени и можно ли создать что-то такое, в чем бы она нарушалась. Он назвал это кристаллом времени. Экспериментаторы представили квантовую версию новой сущности в виде кольцо атомов, которое бесконечно вращается, циклически изменяясь и возвращаясь к своей первоначальной конфигурации. Свойства кольца синхронизированы в «бесконечном» времени, что позволяет говорить о вечном двигателе без полезной энергии.

Оппоненты Вильчека и Монро утверждают: по определению, любая система в своем низком энергетическом состоянии не меняется во времени. Если бы все было наоборот, это означало бы, что нужно терять лишнюю энергию, - вращение останавливается. В то же время прецедент вечного движения уже зафиксирован в квантовом мире - теоретически сверхпроводники проводят электричество вечно (однородный неизменный во времени поток).

Эти противоречивые вопросы витали в голове у Харуки Ватанабэ, когда он сдавал экзамен на степень доктора философии в Беркли. Ученый представил работу о нарушении симметрии в пространстве, и его руководитель поинтересовался, разделяет ли он идею временного кристалла Вильчека. По мнению Ватанабэ, нужно задаться другим вопросом: как я могу убедить людей, что это невозможно?

Вместе с физиком Масаки Осикава из Токийского университета Ватанабэ попытался математически строго доказать свой интуитивный ответ. Сформулировав проблему в терминах корреляций в пространстве и времени между удаленными частями системы, в 2015 году пара вывела теорему, показывающую, что временные кристаллы невозможно создать для произвольной системы с наименьшей энергией. Исследователи также утверждают, что кристаллы времени невозможны и для системы, находящейся в равновесии.

Для сообщества физиков это было очевидно. Но приведенное японцами доказательство снова оставило лазейку. Не исключено, что кристаллы времени в системах, не достигших стационарного состояния, находятся вне равновесия. Альтернативная версия кристаллов времени все еще обсуждается.

Суп из частиц

Прорыв случился в разделе физики, где исследователи вообще не думали о кристаллах времени.

Шиваджи Сонди, физик-теоретик из Принстонского университета в Нью-Джерси, и его коллеги наблюдали за тем, что произойдет, когда изолированные квантовые системы, состоящие из супов взаимодействующих частиц, неоднократно подвергнуться лазерным ударам. В учебнике физики сказано, что такие системы должны нагреваться и погружаться в хаос. Но в 2015 году команда Сонди предсказала, что при определенных условиях появляется особая фаза материи, не существующая в равновесии - система частиц, которая демонстрирует тонкие корреляции, невиданные ранее..

Разработки привлекли внимание Четана Наяка, одного из бывших студентов Вильчека, который сейчас работает в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. По мнению ученого, странная форма неравновесной материи является разновидностью кристалла времени. Но не в стиле Вильчека: материя не пребывала в низком энергетическом состоянии, и для пульсации кристалла требуется регулярно повторяемый стимул, внешнее воздействие. Тогда получается устойчивый ритм, не соответствующий ритму побуждающего удара, а это значит, что нарушается симметрия времени.

Когда Монро услышал о предлагаемой системе, он сначала не понял ее.

Предполагалось, что для кристалла времени нужно всего три ингредиента: сила, постоянно возмущающая частицы; способ заставить атомы взаимодействовать друг с другом, а также элемент случайного беспорядка. Подобная комбинация, согласно Монро, гарантирует, что частицы будут ограничены в получении энергии, а это, в сою очередь, позволяет им поддерживать устойчивое упорядоченное состояние.

В его эксперименте "участвовали" цепочки чередующихся лазеров из ионов иттербия: первый лазер переворачивает спины, а второй заставляет их взаимодействовать друг с другом случайным образом. Таким образом спины «принуждают» колебаться, но с удвоенным периодом. Исследователи обнаружили, что даже если спины переворачивать систему, например, слегка изменив частоту толчков, колебания оставались прежними. Система блокировалась на очень стабильной частоте. Пространственные кристаллы также оказались устойчивыми к любым попыткам вывести их атомы из заданного расстояния.

Тем временем в Гарварде физик Михаил Лукин попытался сделать нечто подобное, но в совершенно другой системе - трехмерном куске алмаза. Минерал изобиловал примерно одним миллионом дефектов, каждый из которых имел свой спин. Примеси алмаза создавали естественный беспорядок.

Физики согласны с тем, что две системы спонтанно нарушают своего рода симметрию времени и, следовательно, математически соответствуют критериям кристалла времени. Проблема лишь в том, называть ли их кристаллами времени. Тот случай, когда термин обязан быть абсолютно точным.

Некоторые исследователи предлагают сузить исходное понятие, чтобы не включая в него явления, которые уже хорошо известны и не так интересны для квантовых физиков.

Творения Монро и Лукина интересны по разным причинам.

Во-первых, они кажутся первыми и, возможно, простейшими формами множества новых фаз материи, которая существует в относительно неизученных состояниях вне равновесия. Прежде всего, речь идет о системах квантового моделирования, функционирующих при высоких температурах.

Во вторых, кристаллы времени представляют собой стабильную квантовую систему, которая функционирует, как в случае алмаза Лукина, при комнатной температуре. Таким образом открывая дверь для квантового моделирования без криогеники.

В-третьих, кристаллы времени также могут применяться в сверхточных датчиках. Лаборатория Лукина уже использует алмазные дефекты для обнаружения крошечных изменений температуры и магнитных полей. Но у этого подхода есть ограничения, потому что, если слишком много дефектов упаковано в маленькое пространство, их взаимодействия разрушают хрупкие квантовые состояния. Задача-минимум сейчас - произвести сигнал, способный эффективно исследовать живые клетки и материалы толщиной в атом.

История кристаллов времени - прекрасный пример того, как часто прогресс буквально заставляет производить знания в различных областях науки и техни. А кристалл времени появится. Вопрос лишь во времени.