Представьте себе обычный кристалл. Соль, алмаз, снежинка. Его суть — в порядке. Атомы выстроены в строгую, повторяющуюся решетку. Этот узор нарушает однородность пространства: здесь — атом, а вот здесь, рядом — уже пустота. Физики говорят, что кристалл спонтанно нарушает пространственную симметрию.
Это привычная идея. Мы живем среди таких кристаллов.
Кристалл времени, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3
А теперь задай себе вопрос: можно ли создать структуру, которая так же спонтанно нарушает симметрию времени? Материал, который будет периодически меняться, пульсировать, эволюционировать по внутреннему циклу без каких-либо внешних часов или периодического воздействия.
Это и есть кристалл времени. Концепция, которая еще десять лет назад казалась научной фантастикой, сегодня обретает реальные черты. И не в экзотических квантовых системах при сверхнизких температурах, а в веществе, которое можно рассмотреть в обычный микроскоп.
a, Схема используемого оптического микроскопа: линейно поляризованный свет проходит через стеклянную ячейку с LC, внутренние поверхности подложек которой покрыты фоточувствительным красителем. Световые сигналы и пространственные узоры регистрируются камерой после того, как они проходят через фазовую пластинку первого порядка и анализатор. b, Схема пустой ячейки, через которую по нормали проходит линейно поляризованный синий свет. Молекулы красителя (серые кубоиды) имеют длинные оси, перпендикулярные поляризации линейно поляризованного света. Электрическое поле (Ex, Ey) управляющего света на разных глубинах показано справа. c, Химические структуры молекул азобензольного красителя и LC. Молекула LC представлена в виде зеленого цилиндра, а азобензольная группа показана в виде серого кубоида. d, Схема образца, заполненного LC, где молекулы LC окрашены в соответствии с азимутальными углами ориентации директора, как определено цветовой схемой. Электрическое поле (Ex, Ey) управляющего света на разных глубинах в отмеченных областях показано справа и слева соответственно. e, Экспериментальная поляризационная оптическая микрофотография CSTC, полученная с использованием полноволновой фазовой пластинки первого порядка. Медленная ось пластинки отмечена зеленой двойной стрелкой, а скрещенные поляризаторы — черными двойными стрелками. f, Пространственно-временное изображение CSTC, показанного на e, где размер кристалла составляет 400 µm x 120 с. Выделенная область отмечена на e; временной интервал составляет 0.3 с. Масштабные линейки: 50 µm (белая; e и f); 5 с (желтая; f). g, Нормированные сигналы красного света, извлеченные из пространственно-временного графика, где выделенная область отмечена на f. a.u., произвольные единицы. h, Нормированный спектр быстрого преобразования Фурье световых сигналов с графика g: Φ(t)→Φ(ω); центральный пик находится на частоте 0.217 Hz. Цитирование: Zhao, H., Smalyukh, I.I. Space-time crystals from particle-like topological solitons. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02344-1
Чтобы понять суть прорыва, нужно разобраться с одним фундаментальным принципом: симметрией сдвига во времени. Он гласит, что законы физики не меняются со временем. Эксперимент, проведенный сегодня, даст те же результаты, что и завтра. Большинство систем в равновесии подчиняются этому правилу. Чашка с остывающим чаем не начнет вдруг спонтанно нагреваться и остывать по циклу.
Кристалл времени — это состояние материи, которое эту симметрию нарушает. Спонтанно. Он переходит в состояние с собственной внутренней периодичностью, не привязанной к какому-либо внешнему ритму.
Важно понять: речь не идет о маятнике или электронных часах. Маятник мы подталкиваем, а часы питаются от батарейки. Их ритм — результат внешнего воздействия. Кристалл времени генерирует свой ритм изнутри, как самоорганизующаяся система.
До недавнего времени такие структуры наблюдали лишь в сложных квантовых системах. Но недавнее исследование показывает: можно пойти дальше и создать кристалл, нарушающий симметрию и в пространстве, и во времени одновременно. Проще говоря, создать упорядоченную структуру, которая к тому же ритмично пульсирует.
a, Поле директора n(r) для CSTC в поперечных сечениях x-y (вверху) и x-z (внизу). n(r) является трансляционно-инвариантным вдоль оси y, как показано на поперечном сечении x-y у нижней поверхности. Направления распространения света — от z к -z; цилиндры окрашены в соответствии с круговой схемой справа. b, Вдоль пространственных путей γ₁ и γ₂, отмеченных на a, директор n поворачивается на +π и -π соответственно. Поскольку S¹/Z₂ ≅ S¹, отображения ориентаций директора с этих путей покрывают пространство параметра порядка один раз в противоположных направлениях, указывая на солитоны доменных стенок Нееля +1 и -1 в областях I и II на a. c, Плотность упругой свободной энергии в поперечном сечении x-z, отмеченном на a. Плотность свободной энергии рассчитана с помощью уравнения (1) и относительно плотности однородного нематического фона. Она визуализирована с помощью шкалы серого (вставка справа). d, Схема многочастичных взаимодействий между топологическими солитонными квазичастицами в разные моменты времени, где T — временная периодичность CSTC. e, f, Распределения вероятностей смещений соседних солитонов доменных стенок (e) и соответствующий потенциальный ландшафт (f); на вставке показаны измерения смещений, где L — пространственная периодичность. g, h, Смоделированный снимок поляризационной оптической микрофотографии (g) и пространственно-временное изображение (h) CSTC. Выделенная область (h) отмечена на g. i, Экспериментально измеренная временная периодичность как функция температуры и интенсивности управляющего света. j, Смоделированная временная периодичность в зависимости от температуры и эффективности связи со светом; временные периодичности T окрашены в соответствии со схемами, показанными на вставках справа, в то время как области беспорядка и фазы с ненарушенной временной симметрией (TSU) показаны серым цветом. Цитирование: Zhao, H., Smalyukh, I.I. Space-time crystals from particle-like topological solitons. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02344-1
Рецепт для четырёх измерений: свет, краска и жидкий кристалл
Как же заставить материю так себя вести? Оказывается, для этого не нужны ускорители частиц или криогенные установки. Нужны три компонента:
Нематический жидкий кристалл. Это вещество, молекулы которого вытянуты и стремятся ориентироваться в одном направлении, но при этом остаются подвижными. Мы сталкиваемся с ними каждый день в экранах смартфонов и мониторов.
Фоточувствительный краситель. Специальное вещество (азобензол), молекулы которого меняют свою ориентацию под действием света определенной поляризации.
Постоянный, немигающий свет. Это ключевой момент. Система не получает никакого внешнего ритма. Источник энергии — постоянный и однородный.
Сам эксперимент выглядит изящно. Тонкий слой жидкого кристалла помещают между двумя стеклянными пластинами, покрытыми тем самым красителем. Затем на эту конструкцию направляют постоянный поляризованный свет. И тут начинается самое интересное — запускается цепная реакция.
Свет, проходя через верхнюю пластину, заставляет молекулы красителя на ней выстроиться определенным образом. Эти молекулы, в свою очередь, задают ориентацию прилегающим молекулам жидкого кристалла. Этот порядок передается сквозь всю толщу кристалла к нижней пластине.
Кристалл времени в движении University of Colorado Boulder
Но проходя через слой жидкого кристалла, сам свет меняет свою поляризацию. Теперь на нижнюю пластину он падает уже другим. Этот измененный свет заставляет молекулы красителя на нижней пластине повернуться иначе. Этот новый поворот запускает волну изменений обратно, через весь жидкий кристалл, к верхней пластине.
Возникает непрерывная обратная связь. Система не может найти стабильное состояние покоя и вместо этого входит в режим постоянных, ритмичных колебаний. На микроскопическом уровне это выглядит как бегущие полосы — пространственный узор, который движется и меняется с четкой периодичностью.
Это и есть пространственно-временной кристалл. Его строительные блоки — не атомы, а устойчивые структурные дефекты в ориентации молекул, которые физики называют топологическими солитонами. Эти дефекты ведут себя как частицы: они взаимодействуют, выстраиваются в решетку и все вместе «дышат» в едином ритме.
a, Пространственно-временное изображение экспериментальной реализации для измерения относительной временной фазы. Сначала мы блокируем управляющий свет красным светофильтром, а затем рассчитываем относительную временную фазу по последовательности световых сигналов Φ(t) после временного интервала Δt. Масштабные линейки: 10 µm (белая); 3 с (желтая). Медленная ось фазовой пластинки отмечена зеленой двойной стрелкой, а скрещенные поляризаторы показаны черными двойными стрелками. b, Нормированные световые сигналы, зарегистрированные в небольшой области, в зависимости от времени для двух экспериментальных реализаций, которые имеют разность временных фаз около π. c, Экспериментально измеренное распределение относительных временных фаз. d, Смоделированная реализация, показывающая эволюцию x-компоненты директора после блокировки-разблокировки внешнего воздействия. e, Смоделированное распределение относительных временных фаз, рассчитанное с использованием x-компоненты n(r). Цитирование: Zhao, H., Smalyukh, I.I. Space-time crystals from particle-like topological solitons. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02344-1
Звучит логично, но где доказательства, что это настоящий кристалл времени, а не просто сложный оптический эффект? Для идентификации таких систем есть два строгих критерия. И эта система проходит оба.
Компьютерная симуляция кристалла времени University of Colorado Boulder
1. Спонтанное нарушение симметрии. Чтобы доказать, что ритм кристалла — его внутреннее свойство, а не скрытый эффект от источника света, ученые провели простой тест. Они на время блокировали свет, давая системе «забыть» свое состояние. Затем свет включали снова. Каждый раз возникающий узор полос начинал свое движение со случайной фазой. Он не пытался «продолжить» с того места, где остановился. Это доказывает, что система сама выбирает начальную точку своего цикла, а не подчиняется внешнему сигналу.
2. Устойчивость и «жесткость».Обычный кристалл тверд. Его решетку сложно разрушить. Пространственно-временной кристалл должен обладать «жесткостью» во времени. Чтобы это проверить, исследователи вносили в систему хаос: они заставляли интенсивность света случайным образом меняться. Несмотря на эти возмущения, кристалл сохранял свою периодичность. Более того, даже когда в структуре возникали дефекты — «дислокации» в пространстве-времени — система со временем самовосстанавливалась, возвращаясь к своему идеальному ритму.
a-c, Поляризационные оптические микрофотографии неупорядоченных состояний (a и b) и CSTC из пространственно-временных топологических солитонов (c), которые могут служить в качестве временнóй водяной метки. d, Два спонтанно сформированных экспериментальных фингерпринт-состояния, собранных из нескольких CSTC. e, Другая пара спонтанно сформированных, численно смоделированных фингерпринт-состояний, собранных из нескольких CSTC. Эти фингерпринт-состояния неидентичны, и вертикальная ось на d и e представляет отдельные CSTC. f, Плавно изменяя эффективность связи со светом (вверху) в различных реализациях (график с синей и красной линиями соответственно), непрерывную фазу пространственно-временной кристаллизации, показанную через эволюцию x-компоненты n(r), можно настроить на любой желаемый угол (внизу); разность фаз зависит от процесса настройки. g, Снимок 2 + 1D штрихкода, созданного путем наложения двух фингерпринт-состояний и отображенного в градациях серого. Используя метод фазовой настройки, в этом 2 + 1D штрихкоде можно кодировать и хранить информацию. h, Поляризационные оптические микрофотографии двух CSTC, снятые в течение времени. Временная периодичность CSTC в верхнем ряду составляет 3.48 с, в то время как у CSTC в нижнем ряду она составляет 4.54 с. Таким образом, примерно через 15 с (14.90 с), фаза верхнего CSTC выравнивается с фазой нижнего. i, Фингерпринт-состояния, собранные из численно смоделированных CSTC за 10-секундный интервал, причем CSTC в каждом ряду имеет различную периодичность T. Правое фингерпринт-состояние не может быть получено сдвигом левого фингерпринт-состояния на один и тот же фазовый угол. Однако, если временная периодичность CSTC в каждом ряду известна, правое фингерпринт-состояние может быть предсказано на основе левого. Масштабные линейки, 10 µm (белые; a-e, g-i). Цитирование: Zhao, H., Smalyukh, I.I. Space-time crystals from particle-like topological solitons. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02344-1
Появление такого управляемого и стабильного кристалла времени при комнатной температуре — это не просто удовлетворение научного любопытства. Это открывает дорогу к совершенно новым технологиям.
Динамическая оптика. Можно создавать линзы или дифракционные решетки, параметры которых меняются во времени с заданной частотой, что позволит управлять световыми лучами невиданными ранее способами.
Защита от подделок. Такой кристалл можно использовать как «временную водяную метку». В отличие от статичного изображения, ее невозможно скопировать, потому что ее подлинность определяется уникальным, живым ритмом.
Передача информации. Свет, проходящий через такой кристалл, модулируется его структурой. Это открывает возможность кодировать информацию не только в пространственных характеристиках луча, но и в его временной динамике.
«Штрихкод» времени, полученный путем накладывания нескольких кристаллов друг на друга University of Colorado Boulder
Мы привыкли думать о материалах как о чем-то статичном. Но эта работа показывает, что вещество может обладать собственным внутренним временем, собственной пульсацией. Мы стоим на пороге эры, где можно будет проектировать материалы, которые не просто существуют, а живут — структурированные и действующие в четырех измерениях.
Этот веб-сайт использует файлы cookie или аналогичные технологии для улучшения вашего просмотра и предоставления персонализированных рекомендаций. Продолжая использовать наш веб-сайт, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности
