Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере совершили прорыв в области физики конденсированного состояния, создав видимые временные кристаллы с использованием жидких кристаллов. Этот новаторский подход позволяет напрямую наблюдать временные кристаллы в стандартных лабораторных условиях, что отличает его от предыдущих методов, требовавших сложных квантовых систем. Работа, опубликованная 4 сентября 2025 года в журнале Nature Materials, называется «Пространственно-временные кристаллы из топологических солитонов, подобных частицам».
Временные кристаллы — это уникальная фаза материи, которая демонстрирует периодическое движение во времени без потребления энергии, бросая вызов традиционным представлениям о равновесии. В отличие от пространственных кристаллов, имеющих повторяющиеся пространственные узоры, временные кристаллы поддерживают динамический, основанный на времени порядок. В то время как предыдущие исследования были сосредоточены на квантовых системах, данное исследование демонстрирует возможность наблюдения временных кристаллов в классических системах с использованием жидких кристаллов.
Команда исследователей под руководством аспиранта Ханьцина Чжао и профессора Ивана Смалюха использовала стержнеобразные молекулы жидких кристаллов, заключенные в стеклянные ячейки. Воздействуя на эти молекулы определенными источниками света, они вызвали устойчивые паттерны движения, напоминающие развивающиеся во времени структуры. Эти паттерны оставались стабильными в течение нескольких часов без внешнего подвода энергии, демонстрируя устойчивость фазы временного кристалла. Формирование «изломов» — локализованных искажений в расположении молекул — сыграло ключевую роль в этом явлении.
Под воздействием света молекулы красителя, покрывающие стекло, оказывали механическое воздействие на жидкие кристаллы, вызывая образование, движение и взаимодействие этих изломов сложным образом. Такое поведение, подобное частицам, побудило жидкие кристаллы демонстрировать тщательно поставленные последовательности, напоминающие бальный зал, полный партнеров, постоянно расстающихся и снова соединяющихся. Это достижение открывает двери для потенциальных применений в различных областях, включая сверхзащищенные меры аутентификации и передовые технологии хранения данных.
Возможность прямого наблюдения временных кристаллов под обычным микроскопом упрощает экспериментальные установки и прокладывает путь к интеграции этого явления в практические технологии. Вдохновение для этого исследования восходит к провидческому предложению нобелевского лауреата Фрэнка Уилкинсона в 2012 году, предполагавшего существование временных кристаллов как новой фазы материи, нарушающей временную симметрию. В отличие от обычных пространственных кристаллов — атомных решеток, периодичность которых в пространстве придает им уникальные свойства — периодичность временного кристалла заключается во времени, причем его составляющие частицы колеблются вечно без потребления энергии.
Примечательно, что в 2021 году группа физиков использовала квантовый процессор Sycamore от Google для создания сети атомов, демонстрирующей особенности временного кристалла посредством повторяющихся лазерных флуктуаций. Инновация группы CU Boulder отличается тем, что она использует классические жидкие кристаллы, делая прямое наблюдение возможным и значительно упрощая экспериментальные установки. Это представляет собой важную веху в переходе от неуловимого обещания временных кристаллов от абстрактных квантовых явлений к практическим, осязаемым технологиям.
Экспериментальная установка, разработанная Чжао и Смалюхом, включала размещение раствора жидких кристаллов между двумя стеклянными пластинами, каждая из которых была покрыта специфическими молекулами красителя, динамически реагирующими на свет. При освещении эти красители претерпевают молекулярную переориентацию, оказывая физическое давление на матрицу жидких кристаллов, что, в свою очередь, вызывает спонтанное возникновение упомянутых выше изломов. С технической точки зрения, эти топологические солитоны — стабильные, подобные узлам конфигурации в поле жидких кристаллов — действуют как дискретные, квазичастичные сущности, взаимодействия которых порождают коллективное поведение.
Такой подход, основанный на частицах, позволяет интуитивно понимать сложное временное упорядочение, основанное на классической физике, преодолевая ранее сложный разрыв между квантовыми временными кристаллами и макроскопическими наблюдаемыми эффектами. Потенциальные применения таких временных кристаллов обширны и разнообразны. Например, встраивание этих материалов в валюту могло бы революционизировать технологии защиты от подделок. В отличие от традиционных водяных знаков или голограмм, активируемый светом, развивающийся во времени узор «временного водяного знака» было бы чрезвычайно трудно воспроизвести.
Ключевым моментом является то, что кажущаяся простота создания этих временных кристаллов — просто путем освещения системы светом определенной длины волны в умеренных условиях — подчеркивает доступность и масштабируемость этого подхода. Исследователи подчеркивают, что не требуется никаких экстремальных сред или экзотических материалов; вместо этого явление возникает естественным образом из присущих жидким кристаллам свойств при их сочетании с оптически активными красителями.
Помимо технологических последствий, это открытие обогащает фундаментальную физику, предоставляя материальное воплощение нарушения временной трансляционной симметрии в классической системе. Представление о том, что материя может поддерживать стационарное неравновесное состояние с периодическим временным поведением, бросает вызов давним предположениям и, вероятно, вдохновит новые теоретические модели и экспериментальные исследования. Чжао и Смалюх связаны с Международным институтом устойчивого развития с узловатой хиральной метаматерией (WPI-SKCM2) со штаб-квартирой в Хиросимском университете в Японии. Их совместная работа является примером все более глобального характера передовых исследований, объединяющих экспертизу с разных континентов для изучения неизведанных областей пространственно-временной физики.
Заглядывая в будущее, открытие видимых временных кристаллов знаменует собой начало захватывающего путешествия. По мере того как исследователи совершенствуют механизмы управления, изучают новые материалы и глубже погружаются в лежащие в основе механизмы, научное сообщество ожидает эры, когда временные паттерны станут столь же управляемыми и неотъемлемыми для технологий, как и пространственные структуры сегодня.