Кристаллы времени — одно из самых экзотических явлений современной физики — долгое время считались исключительно квантовым эффектом, требующим сверхнизких температур, лазеров, вакуума и запутанных частиц. Однако команда из Нью-Йоркского университета показала: аналогичное нарушение симметрии времени можно наблюдать в обычной классической системе, причём с поразительно простыми средствами. Для эксперимента хватило двух крошечных шариков из пенополистирола и акустических левитаторов. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Что такое кристалл времени

Кристалл времени — это не вещество в привычном смысле, а особый тип поведения системы. В обычном кристалле атомы образуют периодическую структуру в пространстве. В кристалле времени частицы (или спины, или другие степени свободы) самопроизвольно начинают колебаться с фиксированным периодом во времени — без какого-либо внешнего периодического воздействия, подобного метроному.

Такое поведение нарушает одну из фундаментальных симметрий природы — симметрию времени. До недавнего времени все известные кристаллы времени создавались в квантовых системах: ионах в ловушках, сверхпроводящих кубитах, магнитных спинах в алмазах и т.д.

Как это сделали из пенопласта

Физики под руководством Дэвида Гриера изучают взаимодействия частиц в акустических ловушках. Они удерживают крошечные шарики из пенополистирола (диаметром около 1 мм) в воздухе с помощью стоячих звуковых волн.

«Звуковые волны могут действовать на частицы так же, как волны на поверхности воды — на лист», — объяснила соавтор исследования Миа Моррелл.

Левитация достигается за счёт точно настроенного акустического поля: шарики зависают в узлах давления. Но ключевой момент — небольшая асимметрия: два шарика чуть отличаются по размеру и форме. Из-за этого каждый рассеивает звук немного по-разному.

В результате сила, с которой один шарик толкает другой через акустическое поле, не равна обратной силе. При определённых параметрах (расстоянии, интенсивности звука, массе) система переходит в режим самопроизвольных устойчивых колебаний: шарики начинают ритмично двигаться вперёд-назад с чётким периодом — и эти колебания могут длиться часами без всякого внешнего «подталкивания».

Минимальный и максимально простой кристалл времени

«Кристаллы времени кажутся экзотическими и чрезвычайно сложными. Но наша система поразительна своей простотой», — отметил Дэвид Гриер.

По сути, это, вероятно, самый минимальный кристалл времени в истории: всего две частицы. Нет нужды в криогенике, сверхпроводимости, лазерном охлаждении или квантовой запутанности. Всё происходит при комнатной температуре, в воздухе, с обычными динамиками и дешёвым пенопластом.

Авторы подчёркивают: открытие не имеет прямых практических применений (пока), но даёт удобную макроскопическую модель для изучения таких явлений. Подобные несимметричные взаимодействия встречаются и в биологии (ритмы сердца, клеточные осцилляции), хотя биологические часы — это, конечно, не кристаллы времени в строгом смысле.

Что дальше

Работа открывает новый класс классических систем с нарушением временной симметрии. Теперь физики могут изучать переходы к таким состояниям, устойчивость, возможные аналогии с квантовыми кристаллами времени — и всё это на лабораторном столе, без миллионов долларов на оборудование.

Вкратце

Физики из Нью-Йоркского университета создали классический кристалл времени из двух шариков пенополистирола, левитирующих в звуковом поле. Из-за небольшой асимметрии частицы самопроизвольно начинают устойчивые периодические колебания без внешнего периодического воздействия — явление, которое раньше считалось чисто квантовым. Это самый простой и дешёвый пример кристалла времени: комната, динамики и пенопласт. Открытие опубликовано в Physical Review Letters.