Видимые временные кристаллы: как новая форма материи изменит технологии будущего
Учёные впервые создали временные кристаллы, видимые человеческому глазу, которые в будущем могут появиться на стодолларовых купюрах.
Эти кристаллы образуются из дефектов (кинков) в жидких кристаллах — тех самых, что используются в LCD-экранах — при воздействии света. В отличие от предыдущих версий временных кристаллов, эти «психоделические тигриные полосы» можно наблюдать невооружённым глазом, сообщают исследователи из Университета Колорадо в Боулдере. Открытие даёт учёным новый инструмент для изучения этой экзотической фазы материи, а также открывает перспективы для применения в телекоммуникациях, защите от подделок и хранении данных. Результаты работы опубликованы 4 сентября в журнале Nature Materials.
«Их можно рассмотреть под микроскопом, а при определённых условиях — даже без него», — пояснил ведущий автор исследования Ханьцин Чжао, аспирант кафедры физики.
Идея временных кристаллов была предложена в 2012 году нобелевским лауреатом Фрэнком Вильчеком. Они представляют собой структуры, периодически повторяющиеся во времени, подобно тому как обычные кристаллы повторяются в пространстве. Это нарушает симметрию времени — фундаментальное свойство физических законов, которые обычно работают одинаково в любом направлении пространства и времени. Обычные кристаллы, например, «выбирают» определённую пространственную ориентацию, ломая симметрию в пространстве. Временные же кристаллы нарушают её во времени, бесконечно переключаясь между двумя состояниями без потери энергии.
Хотя их иногда сравнивают с вечным двигателем, временные кристаллы не нарушают второй закон термодинамики. Они существуют в состоянии с минимальной энергией, а их движение «подпитывается» внешними фотонами. Ранее такие структуры наблюдали в алмазах, квантовых компьютерах и облаках рубидия, но их нельзя было увидеть напрямую — только через колебания лазерного излучения.
Как создали видимые кристаллы?
Учёные расположили жидкие кристаллы (состоящие из молекул в форме стержней) между двумя стёклами, покрытыми светочувствительным красителем. При правильном сжатии молекулы формируют кинки — топологические дефекты, которые ведут себя как квазичастицы. Когда свет падает на стёкла, краситель реагирует, сжимая кристаллы и генерируя тысячи кинков. Эти дефекты синхронно движутся, образуя узоры, напоминающие рябь на воде, и сохраняют ритм даже при изменении температуры.
«Всё возникает из ничего. Просто посветите — и перед вами раскроется целый мир временных кристаллов», — говорит соавтор работы Иван Смалюх, профессор физики.
Практическое применение
Помимо фундаментальных открытий, технология может стать основой для:
- Антиподдельных меток — уникальные узоры временных кристаллов затруднят фальсификацию денег или документов.
- Хранения данных — многослойные структуры смогут кодировать большие объёмы информации.
- Квантовых коммуникаций — управление световыми импульсами повысит скорость передачи сигналов.
Учёные не исключают, что временные кристаллы станут ключом к созданию оптических компьютеров, где вычисления производятся фотонами, а не электронами. Также их можно интегрировать в сенсоры для медицинской диагностики, где высокая чувствительность к свету позволит обнаруживать минимальные концентрации веществ.
«Мы не хотим ограничивать возможные применения, — подчёркивает Смалюх. — Эта технология открывает двери во множество направлений, от наноэлектроники до биотехнологий».
Следующий шаг — эксперименты с материалами, которые работают при комнатной температуре, чтобы приблизить внедрение кристаллов в реальные устройства. Уже сейчас ясно: эта «магия» из мира квантовой физики скоро перестанет быть лабораторным курьёзом и войдёт в нашу повседневную жизнь.
