Пространственно-временной кристалл может быть создан на практике

На протяжении последних десятилетий наука значительно продвинулась в изучении кристаллических структур малой размерности: двумерных — графен, одномерных — нанотрубки и нулевой размерности — молекулы C60. Вполне закономерно, что некоторые ученые задаются вопросом о возможности существования кристаллов, имеющих более трех измерений.

Кристаллизация происходит в ходе отъема тепла у молекулярной системы: при достижении определенного низкого энергетического уровня происходит нарушение однородности пространственной симметрии и ее дискретизация. Это означает, что структура сохраняет однородность только в нескольких направлениях.

Концепция кристалла, имеющего дискретный порядок по оси времени, была предложена ранее в этом году нобелевским лауреатом Френком Вилчеком (Frank Wilczek) из Массачусетского технологического института. Он представил лишь математическое обоснование возможности существования пространственно-временного кристалла, идею же, как реализовать это на практике, выдвинула группа профессора Чжана (Xiang Zhang) из Калифорнийского университета в Беркли.

В статье «Space-time crystals of trapped ions», опубликованной ими в Physical Review Letters, описывается структура в виде кольца захваченных в электростатические ловушки ионов. Находясь в постоянном вращении под действием слабого статического магнитного поля, она воспроизводит себя через фиксированные промежутки времени, создавая темпоральный аналог обычного пространственного кристалла.

Ученые подчеркивают, что речь идет не о «вечном двигателе», а о постоянном движении в базовом квантовом состоянии с наименьшей энергией. Таким же образом при определенных условиях двигаются электроны в кольцевом сверхпроводнике, но поскольку в их движении отсутствует пространственный порядок, его нельзя использовать для создания четырехмерного кристалла.

Помимо концептуальной ценности, реализованные на практике темпоральные кристаллы, по мнению авторов статьи, будут полезны для изучения задачи многих тел и других квантовых явлений.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365