У нас на монетному дворі, що таке кристал. У школі ми дізналися, що ці матеріали, від цукрових зерен до діамантів, мають однорідне й упорядковане розташування своїх атомів, утворюючи візерунок, який повторюється по всьому простору, створюючи їх красиві та правильні форми. Під час заняття в Массачусетському технологічному інституті (MIT), де професор Френк Вільчек, лауреат Нобелівської премії з фізики, мав ідею: що якби були якісь «кристали часу», структура яких, замість того, щоб повторюватися в просторі, повторюється в часі?
Ця «екзотична» гіпотеза, висунута в 2012 році, роками викликала сильні дебати в науковому співтоваристві. Якщо можливо, цей тип кристалів повинен мати можливість зберігати свою стабільність, але в той же час також періодично змінювати свою кристалічну структуру; Вирішено, що якщо ми спостерігаємо їх у різний час, ми повинні усвідомити, що їх структура (у просторі) не завжди однакова, перебуваючи в стані постійного руху, навіть у стані мінімальної енергії або в основному стані.
Все це прямо підриває закони термодинаміки. І ці кристали не були б ні твердими, ні рідкими, ні газоподібними. Навіть не плазма -іонізований газ-. Це був би інший стан матерії.
Після запеклих дебатів, під час яких Вільчека назвали майже божевільним, у 2016 році команді нарешті вдалося продемонструвати, що теоретично можливо створити кристали часу, чого вдалося досягти лише через рік. З тих пір ця галузь фізики стала дуже перспективною сферою, яка може змінити все, від квантових технологій до телекомунікацій, до видобутку корисних копалин або самого розуміння Всесвіту.
Однак є проблема: ці кристали з’являються лише в дуже особливих умовах. Конкретно, вчені використовували квазічастинки магнонів Бозе-Ейнштейна, стан матерії, який створюється, коли частинки, звані бозонами, охолоджуються майже до абсолютного нуля (-273,15 градусів за Цельсієм або -460 градусів за Фаренгейтом). Це вимагає дуже складного обладнання і, звичайно, не може залишати лабораторії та вакуумні камери, оскільки взаємодія із зовнішнім середовищем унеможливлює його створення.
Поки що. Команді з Каліфорнійського університету Ріверсайд вдалося створити кристали оптичного часу, які можна генерувати при кімнатній температурі, як пояснюють у дослідженні в журналі «Nature Communications». Для цього був узятий крихітний мікрорезонатор – диск із фтористого магнієвого скла діаметром всього один міліметр, який входив в резонанс при прийомі хвиль певної частоти. Потім вони бомбардували цей оптичний мікрорезонатор променями двох лазерів.
Субгармонічні піки
Субгармонічні спайки (солітони) або частотні тони між двома лазерними променями, які вказують на порушення часової симетрії і, таким чином, створюють кристали часу. Система створює обертову гратчасту пастку для оптичних солітонів, у якій потім відображається їхня періодичність або структура в часі.
Щоб підтримувати цілісність системи при кімнатній температурі, команда буде використовувати блок автоінжектора, метод, який гарантує, що сольовий лазер підтримує певну оптичну частоту. Це означає, що систему можна винести з лабораторії та використовувати для польових застосувань, зокрема для вимірювання часу, інтеграції в квантові комп’ютери або вивчення самого стану.
«Коли ваша експериментальна система має обмін енергією з навколишнім середовищем, розсіювання та шум працюють рука об руку, щоб зруйнувати тимчасовий порядок», — Хоссейн Тахері, Марлан і Розмарі Борнс, професор електротехніки та комп’ютерної інженерії в Каліфорнійському університеті в Ріверсайді та провідний автор дослідження. «На нашій фотонній платформі система досягає балансу між виграшем і втратою, щоб створити та зберегти кристали часу».
