Ученым впервые удалось создать временной кристалл, видимый в оптическом диапазоне, используя жидкие кристаллы.

Что такое кристаллы и временные кристаллы

Обычные кристаллы — это твердые тела с периодической внутренней структурой. Их свойства зависят от состава, формы и строения элементарной ячейки. Например, графит и алмаз состоят из углерода, но различаются по структуре: графитом можно писать, а алмазом — сверлить камень.

Временные, или темпоральные, кристаллы отличаются тем, что их внутренняя структура повторяется не только в пространстве, но и во времени. Такие квантовые системы можно представить как зацикленное короткое видео или gif-анимацию. Идею временных кристаллов предложил нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек в 2012 году, а в 2017 году две независимые группы ученых впервые создали такие структуры и опубликовали результаты в журнале Nature.

Прорыв в наблюдении временных кристаллов

Ранее существование временных кристаллов подтверждалось лишь косвенно — с помощью спектроскопии и измерения квантовых состояний. В новом исследовании физики смогли наблюдать временные кристаллы непосредственно в оптический микроскоп. Их работа опубликована в журнале Nature Materials.

Как создавали видимые временные кристаллы

Для эксперимента ученые разработали стеклянные ячейки, заполненные жидкими кристаллами. Молекулы этих кристаллов имеют форму стержней, ведут себя как жидкость, но способны формировать упорядоченные структуры. При правильном сжатии молекулы собираются в плотные группы и начинают изгибаться.

Профессор Иван Смалюх отмечает: «Эти скручивания невозможно просто так удалить из системы. Они ведут себя как частицы и начинают взаимодействовать друг с другом».

В ходе эксперимента раствор жидких кристаллов помещали между двумя стеклами, покрытыми молекулами красителя. При облучении светом молекулы красителя меняли ориентацию и сжимали жидкие кристаллы, что приводило к образованию новых изгибов.

Наблюдения и свойства временных кристаллов

Образовавшиеся изгибы начинали взаимодействовать между собой. Под микроскопом кристаллы выглядели как «психоделические тигриные полоски» и двигались в течение нескольких часов. Однако это движение не является вечным: система получает энергию извне, и без направленного света движение прекращается.

Паттерны движения оказались очень устойчивыми — исследователи могли изменять температуру образцов, не нарушая движения жидких кристаллов.

Смалюх подчеркивает: «В этом и заключается красота временного кристалла. Вы просто создаете определенные условия, светите на кристалл — и все происходит само».

Возможные применения

Ученые считают, что временные кристаллы могут найти различные применения. Например, их можно использовать для маркировки и подтверждения подлинности денежных банкнот. Кроме того, объединение временных кристаллов с майорановскими фермионами может привести к созданию более надежных и простых квантовых компьютеров.