Ученые США обошли ограничения и создали видимый глазом временной кристалл

Ученые создали видимую версию «временного кристалла» — особой фазы материи, в которой структуры непрерывно повторяют движения при освещении. Для эксперимента использовались жидкие кристаллы, аналогичные применяемым в дисплеях. Исследовательская группа сформировала вихревые образования, напоминающие частицы, которые самостоятельно проходят циклы изменений.

Физики получили самоподдерживающийся временной кристалл на основе завихрений жидких кристаллов. Концепция похожа на механизм часов, чьи стрелки двигаются без источника энергии. В работе применялись привычные материалы, но их поведение оказалось необычным: элементы структуры находились в непрерывном движении. Подобные системы создавались и раньше, но впервые объект удалось наблюдать напрямую. Ведущий автор исследования Ханьцин Чжао отметил, что эффект виден под микроскопом и при определённых условиях различим невооруженным глазом. Результаты опубликованы в Nature Materials.

Команда подготовила стеклянные ячейки с жидкими кристаллами, сформированными из молекул продолговатой формы. Эти молекулы совмещают свойства твердых и жидких сред. При определённом типе освещения они смещаются и вращаются, образуя циклические движения.

Под микроскопом образцы демонстрировали узоры, похожие на многокрасочные неровные полосы. Такие циклы могут длиться часами. Профессор Иван Смалюх отмечал, что эффект возникает мгновенно: достаточно направить свет, и структуры начинают формироваться.

Концепция временных кристаллов возникла благодаря идее Нобелевского лауреата Фрэнка Вильчека. Он сравнил их с обычными пространственными кристаллами, у которых атомы выстраиваются в жесткую решетку. Вильчек предположил, что аналогичная организация возможна и во времени. Позднее появились фазы материи, частично реализующие его предположение: например, в 2021 году на квантовом компьютере создали систему атомов, непрерывно флуктуирующую под действием лазера.

В новом исследовании проверялась способность жидких кристаллов формировать подобные структуры. Плотно собранные молекулы образовывали изломы, которые вели себя наподобие атомов: перемещались, взаимодействовали и сохранялись внутри системы. Раствор поместили между стеклянными пластинами с красителем. Без внешнего воздействия образцы почти не менялись, но при освещении молекулы красителя изменяли ориентацию и сжимали жидкие кристаллы. В результате возникали многочисленные изломы.

Эти изломы вступали во взаимодействие и двигались по сложной последовательности, похожей на танцевальные траектории: расходились, встречались, повторяли цикл. Паттерны сохранялись даже при изменении температуры.

Авторы допускают возможность практического применения таких структур. Например, временные кристаллы можно использовать в качестве защиты банкнот, создавая своеобразный световой «водяной знак». Также слои с различными временными паттернами теоретически способны хранить большие объёмы цифровой информации.

Читайте также: