Физики из Университета ИТМО теоретически предсказали «истинный» временной кристалл, который существует в непрерывном времени. До сих пор считалось, что такие кристаллы создать невозможно.

Чтобы обойти запрет на создание таких кристаллов, ученым пришлось пожертвовать локальностью взаимодействий между частями системы — грубо говоря, предложенный временной кристалл можно создать только на основе системы, в которой каждый атом напрямую связан со всеми остальными атомами (а не только с ближайшими соседями). Впрочем, отсутствие локальности не означает, что предложенную модель нельзя реализовать на практике.

Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на arXiv.org.

Физики называют кристаллами системы, которые периодичны в пространстве и сохраняют свою структуру при сравнительно слабых возмущениях. Другими словами, такая система переходит сама в себя только при определенных дискретных преобразованиях, которые сводятся к трансляциям (сдвигам) на фиксированный вектор. Например, простая кубическая решетка сохраняется при сдвигах на вектора, построенные из трех перпендикулярных векторов одинаковой длины.

Большинство известных кристаллов состоят из атомов, однако определение кристалла легко можно распространить и на другие системы с дискретной пространственной симметрией. В частности, к настоящему времени ученые уже научились создавать кристаллы из фотонов и сыпучих материалов.

Кроме того, определение кристалла можно естественным образом обобщить на четырехмерное пространство, потребовав от системы дополнительной инвариантности при трансляциях во времени. Впервые такое обобщение предложил в 2012 году нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек.

К сожалению, несколько лет спустя японские исследователи Харуки Ватанабе и Масаки Ошикава показали, что на практике пространственно-временные кристаллы создать невозможно: если система попадает в состояние с минимальной возможной энергией, она находится в нем неограниченно долго, а если выходит из минимума, то теряет периодичность во времени.

Впрочем, в предложенном доказательстве оставались лазейки. Во-первых, оно предполагало, что эволюция системы стационарна. Во-вторых, ученые ограничились рассмотрением близкодействующих частиц, потенциал которых степенным образом убывает с расстоянием.

Впоследствии первая лазейка позволила создать так называемые «кристаллы в дискретном времени» — системы, которые периодически «подталкивают» внешнее воздействие и которые инвариантны относительно трансляций на промежуток, в несколько раз превышающий период воздействия. Подробнее про такие системы можно прочитать в статье Игоря Иванова.

Вторая лазейка до сих пор учеными не использовалась. В то же время, потенциально она позволяет получить полноценные кристаллы, которые нарушают симметрию не дискретного, а непрерывного времени — так же, как обычные кристаллы нарушают симметрию непрерывного пространства.

Физики Валерий Козин и Александр Кириенко использовали эту лазейку и впервые предложили модель кристалла в непрерывном времени.