Чи є часові кристали лише математичною вигадкою, або все ж вони можуть реально  фізично існувати? Фізики обговорювали це питання починаючи з 2012 року, коли лауреат Нобелівської премії Франк Вільчек вперше висунув ідею часових кристалів. Він припускав, що ці гіпотетичні об'єкти проявляють властивість періодичного руху, такого як наприклад рух по колові орбіті, у своєму стані з найнижчому значні енергії, або у "нульовому стані". Теоретично об'єкти у основному стані взагалі не мають енергії для того щоб рухатись.

В наступні роки, інші фізики пропонували різні аргументи про те чому фізичне існування часових кристалів не можливе - і схоже, що більшість фізиків схильні вважати, що часові кристали фізично не можливі через їх дивні властивості. Не зважаючи на те, що часові кристали не можна використати для виконання корисної роботи (через те що збурення їх стану призводить до їх зупинки) та вони не порушують другий закон термодинаміки, вони порушують фундаментальну симетрію законів фізики.

Однак зараз у новій статті Dominic V. Else, Bela Bauer, and Chetan Nayak Phys. Rev. Lett. 117, 090402 опублікованій у журналі Physical Review Letters , фізики з університету Каліфорнії, Santa Barbara (UCSB та Microsoft Station Q (дослідницька лабораторія Microsoft яка розміщена у кампусі UCSB продемонстрували, що може існувати фізична реалізація часових кристалів.

Вчені сфокусувались на властивості часових кристалів, що є найбільш несподіваною - передбачається , що вони будуть спонтанно порушувати фундаментальну симетрію яка має назву "симетрія відносно часового зсуву". Для того щоби зрозуміти, що це означає дослідники пояснюють що таке спонтанне порушення симетрії.

"Ключова відмінність є в різниці між явним порушенням симетрії та спонтанним порушенням симетрії", каже соавтор праці, фізик з UCSB, Домінік Елс. "Якщо симетрія порушена явно то закони природи вже більше не мають симетрію; спонтанне порушення симетрії означає, що закони природи мають симетрію, але природа обрала стан який не має її."

Якщо часові кристали дійсно спонтанно порушують симетрію однорідності часу, то закони природи, за якими існують часові кристали не будуть змінюватись з часом, але самі часові кристали будуть змінюватись через наявність у них руху нульового стану, яке спонтанно порушує симетрію.

Хоча спонтанне порушення симетрії однорідності часу ще не спостерігалось, але спостерігалось спонтанне порушення всіх інших типів симетрії. Є дуже характерний приклад спонтанного порушення симетрії у магнітах. Закони природи не нав'язують яка сторона магніту буде північним полюсом, а яка південним. Однак винятковою особливістю будь якого магнітного матеріалу, є те що він спонтанно порушує цю симетрію та обирає одну зі сторін як північний полюс. Інший приклад це звичайні кристали. Хоча закони фізики є інваріантними відносно обертання або зсуву (трансляції) простору, кристали спонтанно порушують цю просторову симетрію і як наслідок виглядають по різному коли на них дивляться під різними кутами та коли їх трошки змістити у просторі.

У своїй новій роботі фізики спеціально визначили, що потрібно для спонтанного порушення симетрії трансляції часу, а потім використовуючи симуляції передбачили, що це порушення симетрії може виникати у великому класі квантових систем які називаються " багаточастинкові Флоке-локалізовані керовані системи." Як пояснюють вчені ключовий аспект цих систем є те, що вони весь час знаходяться в стані далекому від термодинамічної рівноваги, так що система ніколи не нагрівається.

Нове означення порушеної симетрії зсуву часу є схожим до означення інших порушених симетрій. В цілому, коли розмір системи (такої як наприклад кристал) зростає, час розпаду стану з порушеною симетрією на стан зі збереженням симетрії зростає, та у нескінченній системі стани зі збереженням симетрії ніколи не можна досягти. І як наслідок порушується симетрія для всієї системи.

"Важливість нашої роботи має дві сторони: з одного боку, вони демонструє, що симетрія зсуву часу не має імунітету до спонтанного порушення", каже савтор Бела Бауер, дослідник з Microsoft Station Q. "З іншого боку, робота поглиблює наше розуміння того, що нерівноважні системи мають багато цікавих станів речовини таких, що не можуть існувати у рівноважних системах."

Як вважають вчені, можливо виконати експеримент зі спостереження порушення симетрії однорідності часу, за допомогою використання системи великої кількості атомів у пасці, іонів у пасці або надпровідних кубітів для створення часового кристалу. І після цього буде можливо проводити виміри як будуть еволюціонувати ці системи з часом. Вчені передбачають що такі системи будуть проявляти періодичний, осцилюючий рух що є ознакою часового кристалу та вказує на спонтанне порушення симетрії відносно трансляції часу.

"У коллаборації з дослідницькими групами експериментаторів, ми вивчаємо можливість реалізації часових кристалів Флоке у системах холодних атомних газів", повідомив соавтор Читан Наяк з Microsoft Station Q and UCSB.

Доповнення: Група фізиків з Об'єднаного квантового інституту Університету Меріленд  вперше експериментально підтвердили існування часових кристалів. Група спостерігала поведінку характерну для часових кристалів у системі зв'язаних іонів. Препринт статті можна прочитати у: arXiv:1609.08684 [quant-ph]

За матеріалами сайту Phys.org: