Российские физики описали истинные кристаллы времени

Физикам из Университета ИТМО удалось описать истинные кристаллы времени. Впервые идея о возможности их существования была высказана в 2012 году Фрэнком Вильчеком, но затем ученые неоднократно приходили к заключениям о невозможности существования структур такого типа. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Кристалл — это твердое тело, имеющее упорядоченную внутреннюю структуру с дальним порядком связей. От однородных сред кристаллы отличаются нарушением трансляционной симметрии. Это вид симметрии, при котором смещение атомов или молекул в системе на определенный вектор не меняет ее свойств. В кристаллах этот вид симметрии тоже присутствует, но не для всех векторов. Для большого количества векторов при смещении атомов и молекул на него свойства системы изменятся.

Согласно теории относительности Эйнштейна, пространство и время прочно увязаны между собой и их можно использовать в физических теориях относительно равноправно. Следовательно, если существуют тела, заключил Вильчек, нарушающие трансляционную симметрию в пространстве, то имеют право на существование и такие структуры, которые бы нарушали ее и во времени. Тогда 
нобелевский лауреат по физике 2004 года назвал их «квантовыми кристаллами времени».

«Идея, которую предложил Вильчек, не была жестко оформлена, — отмечает соавтор исследования, аспирант Университета ИТМО Валерий Козин. — Два японских ученых позже привели эту идею в более строгий вид, проанализировали и выяснили, что таких объектов в принципе не может быть в реалистичных системах, где взаимодействия между атомами происходят на достаточно малых расстояниях».

В 2014 году был предложен компромисс. Ученые охладили систему атомов до температуры, близкой к абсолютному нулю, и стали с определенной частотой менять магнитное поле, воздействующее на нее. В этом случае исследователи ожидали, что намагниченность атомов в системе будет меняться с той же частотой, что и поле.

Но в реальности вектор намагниченности системы менялся в два раза медленнее. Материалы, в которых наблюдался такой эффект, назвали дискретными кристаллами времени. Однако главную проблему это не решило — возможны ли истинные кристаллы времени, меняющие корреляцию намагниченности не под действием внешних сил в определяемый воздействием промежуток времени, а сами по себе.

Ученые из Университета ИТМО предложили такую систему, которая нарушает трансляционную симметрию во времени за счет нелокальных взаимодействий. Они рассмотрели структуру, в которой одна часть может напрямую влиять на другие части, находящиеся очень далеко от нее. То есть атомы в системе влияли не только на соседние, но и на все, находящиеся в системе. В привычном человеку мире такого быть не может, но ученые уже создавали системы, где такие взаимодействия работают.

В таких условиях материал в теории может иметь кристаллическую решетку и периодически менять свои свойства, к примеру намагниченность, спонтанно нарушая трансляционную симметрию во времени. Таким образом, идею нобелевского лауреата удалось подтвердить, хотя ранее считалось, что это невозможно.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.