Ученые получили возможность наблюдать кристаллические структуры времени

Новости МирТесен

Впервые ученым удалось создать темпоральный кристалл, который можно увидеть в оптическом диапазоне. Для этого были задействованы жидкие кристаллы.

Кристаллическое тело – это твердое вещество, характеризующееся повторяющейся структурой. Внутренняя организация большинства кристаллов представляет собой многократно повторяющаяся элементарная ячейка. Характеристики кристалла определяются его составом, формой и строением этой ячейки. Графит и алмаз формируются из углерода, однако их элементарные ячейки имеют различную форму и строение, что обуславливает их разные свойства: один используется для письма, а второй – для бурения камней.

Временные кристаллы демонстрируют повторяющуюся структуру во времени. Эти квантовые системы можно рассматривать как gif-на изображении, коротком зацикленном видео. Описывается теория временных кристалла выдвинул нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek) в 2012 году, а в 2017-м две независимые группы ученых создали временные кристаллы и выпустили публикации об этом в одном номере журнала Nature.

Несмотря на то, что свидетельства существования темпоральных кристаллов были и ранее, они основывались на косвенных данных, таких как спектроскопические измерения и анализ квантовых состояний системы. В ходе нового исследования физикам удалось наблюдать кристаллы времени при помощи оптического микроскопа. Их исследование опубликовано в журнале Nature Materials.

Для визуализации темпоральных кристаллов ученые создали стеклянные контейнеры, содержащие жидкие кристаллы. Эти молекулы в форме стержней обладают свойствами жидкости и могут создавать упорядоченные структуры. Если правильно сжать эти молекулы, они сбиваются в плотные группы и начинают образовывать изгибы.

«Эти переплетения сложно ликвидировать из системы, поскольку они функционируют подобно элементарным частицам и начинают оказывать влияние друг на друга», – отметил профессор Иван Смалюх ( Ivan Smalyukh).

Раствор жидких кристаллов был помещен между двумя стеклами, поверхность которых покрыта молекулами красителя. Под воздействием света молекулы красителя изменили свое расположение, что привело к сжатию жидких кристаллов. В результате этого неожиданным образом возникли новые изгибы.

Взаимодействие этих изгибов стало возможным. Кристаллы, рассматриваемые под микроскопом, напоминали «психоделические тигриные полоски» и перемещались в течение нескольких часов. Но это не вечный двигатель: система находится в состоянии активности, получая энергию из внешнего источника. Без циклического движения, ориентированного на кристалл, она не функционирует.

Устойчивость выявленных закономерностей движения была подтверждена экспериментально: изменение температуры образцов не влияло на перемещение жидких кристаллов.

«Именно в этом заключается очарование временного кристалла. Для его создания достаточно установить определенные условия, которые сами по себе не отличаются уникальностью. Нужно лишь осветить кристалл, и все последующее произойдет автоматически», – пояснил Смалюх.

По мнению исследователей, временные кристаллы обладают потенциалом для широкого спектра практических применений. В частности, эти материалы могут быть применены для создания защитных меток, подтверждающих подлинность денежных купюр.