Впервые удалось получить темпоральный кристалл, который можно увидеть в оптическом диапазоне. Для этого ученые применили жидкие кристаллы.
Кристаллическое тело — это твердое вещество, характеризующееся повторяющейся структурой. Внутренняя организация большинства кристаллов строится на многократном повторении элементарной ячейки. Характеристики кристалла определяются его составом, формой и структурой этой ячейки. Графит и алмаз имеют одинаковый химический состав, состоящий из углерода, однако их элементарные ячейки различаются по форме и структуре, что объясняет, почему один из них используется для письма, а другой — для бурения камня.
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.
Хотя свидетельства существования темпоральных кристаллов были известны ранее, они основывались на косвенных данных, таких как спектроскопические измерения и анализ квантовых состояний системы. В ходе нового исследования физикам удалось наблюдать кристаллы времени с помощью оптического микроскопа. Их исследование опубликовано в журнале Nature Materials.
Для визуализации темпоральных кристаллов ученые создали стеклянные камеры, содержащие жидкие кристаллы. Эти стержнеобразные молекулы 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 проявляют свойства частиц и начинают оказывать влияние друг на друга», – пояснил 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.
Эти изгибы начали оказывать влияние друг на друга. Кристаллы, рассматриваемые под микроскопом, напоминали «психоделические тигриные полоски» и перемещались в течение нескольких часов. Но это не вечный двигатель: система испытывает нестабильное состояние, получая энергию из внешнего источника. Без циклического движения, направленного на кристалл, она не функционирует.
Установленные закономерности перемещения сохраняли свою стабильность: изменение температуры образцов не влияло на движение жидких кристаллов.
«Именно в этом заключается очарование временного кристалла. Нужно лишь создать определенные условия, которые сами по себе не являются чем-то исключительным. Вы направляете свет на кристалл, и все происходит автоматически», — отметил Смалюх.
По мнению исследователей, подобные временные кристаллы обладают потенциалом для разнообразного применения. Данные материалы могут служить для создания меток, подтверждающих подлинность денежных купюр.