Фізики вперше створили просторово-часовий кристал за кімнатної температури

Команда фізиків з Університету Хіросіми, Університету Колорадо та інших наукових центрів досягла результату, який досі вважався привілеєм екзотичних квантових систем: просторово-часовий кристал вдалося отримати за кімнатної температури. Дослідження опубліковане в журналі Nature Com­mu­ni­ca­tions.

До цього часові кристали існували лише в умовах, близьких до абсолютного нуля, і потребували іонних пасток або спеціальних квантових симуляторів. Нова робота показує, що схожий ефект можна відтворити в рідкокристалічному матеріалі — такому самому, що лежить в основі екранів смартфонів і телевізорів. Звичайний кристал повторює свій візерунок у просторі, кристал часу — у часі, а просторово-часовий поєднує обидві властивості й при зовнішньому живленні входить у стійкий цикл зі власним ритмом.

Для експерименту фізики взяли рідкокристалічний матеріал, додали до нього іонні речовини і подали повторюваний електричний сигнал. Спостереження через оптичні мікроскопи та комп’ютерні моделі виявили несподівану поведінку: матеріал не просто відтворював зовнішній ритм, а самостійно перейшов у режим, де візерунок повторювався лише через кожні два цикли сигналу. Цей ефект називають подвоєнням періоду.

Ключову роль у цьому процесі відіграли мікроскопічні дефекти всередині рідкого кристала. Топологічні солітони — стійкі плавні скручування структури — рухалися крізь матеріал як компактні хвилі, тоді як дисклінації являли собою лінії, де впорядкована орієнтація молекул різко ламалася. При зміні напруги ці дефекти постійно перетворювалися один на одного, зникали й виникали знову. Така динаміка нагадала дослідникам поведінку пар частинка-античастинка у майоранівських частинок — рідкісних квантових об’єктів, які фізики шукають уже багато років.

Окремо вражає стійкість нової системи порівняно з квантовими аналогами. Квантові кристали часу легко руйнуються від зовнішнього втручання, тоді як рідкокристалічна структура зберігала синхронний режим навіть після навмисного порушення електричного ритму на 20%. Циклічна поведінка тривала понад 24 години без жодного збою.

Перший автор роботи Ханьцін Чжао вбачає практичний потенціал відкриття у самій природі рідких кристалів: електричне перемикання цих матеріалів вже є основою гігантської індустрії дисплеїв. Нове явище автори назвали часовою рідкокристалічністю — напрямком, де матеріали впорядковуються не лише в просторі, а й у часі.

У перспективі стійкі просторово-часові кристали можуть знайти застосування в перебудовуваних оптичних елементах, лазерних компонентах, відхилювачах променя та надточних системах керування світлом. Робота також демонструє, що складні просторово-часові симетрії здатні виникати не лише в квантовому світі, а й у класичних матеріалах, якими можна керувати за допомогою звичайного електричного поля.