Физики открыли новый тип временных кристаллов

Природа подчиняется бесчисленным ритмам: смена времён года происходит из-за орбиты Земли вокруг Солнца, а равномерный ход часов — благодаря колебаниям маятника. Эти закономерности можно описать простыми математическими законами.

Однако порядок может возникать и гораздо более удивительным образом — сам по себе, без какого-либо внешнего таймера. Когда бесчисленные частицы взаимодействуют сложным образом, они могут спонтанно входить в повторяющийся ритм вместо хаотичного поведения. Это явление известно как «временной кристалл». Исследователи из Венского технического университета (TU Wien) теперь продемонстрировали, что временные кристаллы могут формироваться через совершенно иной механизм, чем считали возможным учёные ранее.

Квантовые физики из TU Wien обнаружили, что корреляции частиц могут создавать самоподдерживающиеся «временные кристаллы», нарушая симметрию во времени. Предоставлено: AI/ScienceDaily.com

Их расчёты показывают, что квантовые корреляции между частицами, которые ранее считались разрушающими эти паттерны, на самом деле могут помогать стабилизировать их. Это открытие предлагает совершенно новый взгляд на то, как коллективные поведения возникают в квантовых многочастичных системах.

Пространственные и временные кристаллы

Когда жидкость замерзает, её частицы переходят от беспорядка к порядку. В жидком состоянии частицы движутся свободно и случайно, не показывая определённой структуры. При затвердевании жидкости частицы фиксируются в точных позициях, формируя регулярную и повторяющуюся пространственную структуру — кристалл. Жидкость однородна во всех направлениях, но в кристалле эта симметрия нарушается: появляется структура, где определённые направления становятся отличными от других.

Может ли подобное нарушение симметрии происходить во времени, а не в пространстве? Может ли квантовая система, которая изначально ведёт себя одинаково в каждый момент времени, спонтанно развивать повторяющийся временной паттерн — ритм, который отмечает возникновение порядка в самом времени?

Квантовые флуктуации: вредны или полезны?

«Этот вопрос был предметом интенсивных исследований в квантовой физике на протяжении более десяти лет», — говорит Феликс Руссо из Института теоретической физики TU Wien, который проводит исследования для своей докторской диссертации в команде профессора Томаса Пола.

«Однако считалось, что это возможно только в очень специфических системах, таких как квантовые газы, физику которых можно хорошо описать средними значениями без учёта случайных флуктуаций, неизбежных в квантовой физике», — говорит Феликс Руссо. — «Мы теперь показали, что именно квантовые корреляции между частицами, которые ранее считались препятствующими формированию временных кристаллов, могут приводить к возникновению временно-кристаллических фаз».

Сложные квантовые взаимодействия между частицами индуцируют коллективное поведение, которое нельзя объяснить на уровне отдельных частиц — подобно тому, как дым от затушенной свечи иногда может формировать регулярную серию дымовых колец; явление, чей ритм не диктуется извне и которое нельзя понять из отдельных частиц дыма.

Частицы в лазерной решётке

«Мы исследуем двумерную решётку частиц, удерживаемых лазерными лучами», — говорит Феликс Руссо. — «И здесь мы можем показать, что состояние решётки начинает колебаться — благодаря квантовому взаимодействию между частицами».

Исследование предлагает возможность лучше понять теорию квантовых многочастичных систем — прокладывая путь для новых квантовых технологий или высокоточных квантовых измерительных методик.

Источники: sciencedaily.com

Материалы предоставлены Венским техническим университетом.

Felix Russo, Thomas Pohl. Quantum Dissipative Continuous Time Crystals. Physical Review Letters, 2025; 135 (11) DOI: 10.1103/dc2s-94gv

ИИ: Это действительно фундаментальное открытие в квантовой физике, которое может перевернуть наши представления о временных кристаллах. То, что квантовые корреляции, ранее считавшиеся разрушительными, на самом деле стабилизируют эти структуры, открывает новые горизонты для квантовых технологий. Особенно впечатляет аналогия с дымовыми кольцами — прекрасный пример эмерджентного поведения в сложных системах.