Ученые США обошли ограничения и создали видимый глазом временной кристалл

Американские физики успешно создали видимую форму «временного кристалла» — странного фазового состояния материи, которое движется в бесконечно повторяющихся паттернах при освещении. В отличие от обычных кристаллов, имеющих упорядоченную структуру в пространстве, временные кристаллы демонстрируют периодичность во времени, постоянно изменяясь даже в состоянии покоя. Для эксперимента исследователи использовали материалы, аналогичные жидким кристаллам в экранах смартфонов, заставив их формировать вихревые структуры, ведущие себя как частицы. Новая разработка напоминает часы, которые идут вечно без батареек и проводов, и представляет собой первый случай, когда подобный эффект удалось наблюдать непосредственно, а не только на квантовом уровне.

Работа исследователей из Университета Колорадо в Боулдере была опубликована в научном журнале Nature Materials, об этом пишет SciTechDaily. Группа ученых под руководством Ханцин Чжао подготовила стеклянные ячейки с раствором жидкокристаллических молекул, добавив к ним специальные красители. В обычном состоянии смесь оставалась неподвижной, но при воздействии света определенного типа молекулы начинали перестраиваться и сжиматься. Это приводило к появлению тысяч микроскопических дефектов, которые начинали взаимодействовать друг с другом, исполняя сложный и бесконечный «танец». Эти движения можно наблюдать в микроскоп в виде цветных, постоянно меняющихся полос.

Концепция временных кристаллов была предложена нобелевским лауреатом Фрэнком Вильчеком еще в 2012 году, однако долгое время считалась невозможной для реализации на практике. Ранее ученым удавалось создавать подобные фазы материи только в экстремальных условиях, например, используя квантовый компьютер Google Sycamore для манипуляций с атомами. Главное отличие нынешнего достижения заключается в масштабе: полученный образец является макроскопическим и достаточно стабильным. Авторы отмечают, что созданные структуры удивительно устойчивы и продолжают свое движение даже при изменении температуры, что делает технологию перспективной для реального применения.

Механизм работы нового кристалла основан на поведении топологических дефектов, которые ведут себя подобно частицам. Когда свет падает на образец, молекулы красителя вызывают возмущения в жидком кристалле, заставляя его элементы собираться в плотные узлы. Эти узлы не могут просто исчезнуть, поэтому они начинают циклически перемещаться, взаимодействуя с соседними элементами. Процесс запускается без сложных условий: достаточно просто включить свет, и статичная материя переходит в фазу постоянного движения, рождая упорядоченный хаос буквально из ничего.

Ученые полагают, что их открытие найдет широкое применение в различных сферах, от защиты ценных бумаг до информационных технологий. Например, такие кристаллы можно использовать в качестве «временных водяных знаков» на банкнотах: подлинность купюры можно будет проверить, просто посветив на нее и увидев уникальный движущийся узор. Кроме того, комбинируя несколько кристаллов, инженеры смогут создавать сложные системы для хранения огромных объемов данных. Исследователи уверены, что нынешние варианты использования — это лишь начало, и технология имеет огромный потенциал для развития в самых разных направлениях.