Представьте себе часы, которые будут показывать наиточнейшее время даже после тепловой смерти Вселенной. Это устройство, т.н. пространственно-временной кристалл или четырехмерный кристалл, который имеет периодические структуры, как во времени, так и в пространстве, лишь с недавних пор обещает стать реальностью.

До сих пор пространственно-временной кристалл существовал только как теоретическое понятие, без сколько-нибудь серьезных представлений о том, как на самом деле его построить. И теперь международная группа ученых во главе с исследователями из Министерства энергетики США (DOE) и Национальной лаборатории Лоренса Беркли (Berkeley Lab) предложила экспериментальный дизайн такого кристалла. Эта модель базируется на электромагнитной ионной ловушке и кулоновском взаимодействии частиц.

Рис. 1. Международная группа ученых предложила
экспериментальный дизайн пространственно-
временного кристалла.

Электрическое поле ионной ловушки удерживает частицы на месте, кулоновское же отталкивание приводит их к самопроизвольно образующемуся в пространстве кольцу кристалла. Если подвергнуть его воздействию слабого магнитного поля, кристалл начинает вращение в пространстве, которое никогда не остановится.

Постоянное вращение захваченных полем ионов вводит в систему временной порядок – то есть она начинает повторяться не только в пространстве, но и через определенные интервалы времени. При низших квантово-энергетических состояниях это позволяет сформировать пространственно-временной кристалл. Его временной порядок движения – или хронометраж – будет сохраняться даже тогда, когда вся Вселенная достигнет термодинамического равновесия, «тепловой смерти».

Традиционные 3D кристаллы – это твердотельные структуры из атомов или молекул, соединенные вместе в упорядоченном и повторяющемся узоре. Типичные примеры – кристаллы льда, соли и снежинки. Кристаллизация происходит, когда от молекулярной системы отводится тепло, и пока оно не достигнет своего нижнего энергетического состояния. В определенный момент наименьшей энергии, непрерывная пространственная симметрия ломается, и кристалл приобретает свойство дискретных симметрий. А это означает, что вместо структуры, одинаковой во всех направлениях, возникает то же самое только в нескольких отдельных направлениях.

«Большой прогресс был достигнут за последние несколько десятилетий в изучении захватывающей физики низкоразмерных кристаллических материалов, таких как двумерный графен, одномерные нанотрубки, и нуль-мерные фуллерены, – говорит Тонкан Ли, ведущий автор статьи PRL и научный сотрудник в исследовательской группе д-ра Чжана. – Идея создания кристалла с размерностями выше, чем у обычных 3D-кристаллов, является важным концептуальным прорывом в физике. Нам было очень интересно первыми разработать способ реализации пространственно-временного кристалла».

В то время как 3D кристалл в низшем квантово-энергетическом состоянии разбивается на дискретные симметрии, в четырехмерном кристалле тоже происходит нечто подобное. Там нарушение симметрии ожидается по временной оси кристалла.

По схеме, разработанной Чжаном и Ли с их коллегами, пространственное кольцо захваченных ионов в постоянном вращении, периодически будет воспроизводить себя во времени, образуя временной аналог обычных пространственных кристаллов.

Однако Тонкан Ли отмечает, что предлагаемый ими пространственно-временной кристалл не вечный двигатель, потому что в низшем квантовом состоянии нет выхода энергии вовне, которую можно было бы использовать.

Тем не менее, есть много научных исследований, для которых пространственно-временной кристалл будет иметь неоценимое значение. Если на основе подобного кристалла создать часовой механизм, то он превзойдет по точности лучшие атомные часы.

Существуют вполне практические и важные научные цели для построения пространственно-временного кристалла. С ним ученые будут иметь новые и более эффективные средства для изучения сложных физических свойств и поведения большого числа отдельных частиц, выходящих за рамки коллективных взаимодействий, так называемой физической задачи многих тел.

Пространственно-временной кристалл также может быть использован для изучения явлений в квантовом мире, таких как неопределенность, когда воздействие на одну частицу влияет на другую, даже если две частицы разделены огромными расстояниями.