Обычные кристаллы, например алмаз или крупинка соли, имеют структуру, которая повторяется в пространстве. Их атомы выстраиваются в строгую решетку. Кристаллы времени ведут себя иначе: их структура повторяется не в пространстве, а во времени. Частицы в таком объекте постоянно переключаются между состояниями и возвращаются в исходную точку через равные промежутки. Это происходит без потребления энергии, что нарушает привычные законы равновесия.
Такую систему можно сравнить с желе, которое дрожит вечно, даже если его никто не трогает. В физике это называют спонтанным нарушением временной трансляционной симметрии. Ключевая особенность подобных кристаллов — они сопротивляются переходу в состояние покоя (термализации), к которому стремится любая обычная материя.
Ранее ученые создавали такие кристаллы только в одномерном варианте. Это были простые цепочки частиц. Сделать двумерный кристалл, то есть плоский слой, оказалось намного сложнее. Чем больше измерений имеет система, тем легче она разрушается и превращается в хаос. До сих пор ученые сомневались, сможет ли упорядоченная пульсация сохраниться на плоскости.
Физики объединили возможности новейшего оборудования и сложные методы вычислений, чтобы создать такой двухмерный временной кристалл. Результаты опубликовали в журнале Nature Communications.
Исследователи использовали процессор компании IBM под названием Heron r2. Из 156 доступных кубитов задействовали 144. Их выстроили в шестиугольную решетку, напоминающую пчелиные соты.
Между частицами создали особый вид взаимодействия — анизотропную модель Гейзенберга. В ней сила связи между соседними кубитами различалась в зависимости от направления. Это создало условия, при которых система смогла сопротивляться нагреву и хаосу. Периодические внешние импульсы заставляли кубиты менять состояние, но благодаря сложной структуре связей система не распадалась, а входила в стабильный ритм.
Эксперимент продемонстрировал, что двумерная решетка действительно перешла в новое состояние. Кубиты начали колебаться с периодом, кратным частоте внешнего воздействия, что позволило наблюдать устойчивый субгармонический отклик, характерный для кристаллов времени. Ритм сохранялся долгое время, несмотря на шумы, присущие современным квантовым компьютерам.
Для анализа фазовых переходов физики построили подробную диаграмму. Они изменяли два параметра: силу взаимодействия, переворачивающего спин, и угол периодического «удара» по кубитам. График показал четкие границы между тремя состояниями. В фазе спинового стекла система «застывала» и сохраняла локальный порядок без колебаний. В эргодической фазе наступал хаос, и квантовая информация терялась. Между этими полюсами возникала искомая фаза кристалла времени, где структура нарушала временную симметрию.
Чтобы подтвердить природу этих состояний, физики измерили квантовую информацию Фишера. Этот показатель отслеживает, как быстро растет запутанность между частицами. В хаотичной эргодической фазе запутанность увеличивалась лавинообразно. В режиме кристалла времени рост шел логарифмически медленно. Такая динамика доказала, что механизм многочастичной локализации работает даже на плоскости. Он эффективно блокировал тепловое равновесие и не давал кристаллу разрушиться.
Неожиданные результаты дала проверка начальных состояний кубитов. Стандартная конфигурация с чередующимися спинами вела себя предсказуемо. Однако полностью поляризованное состояние, где все спины направлены в одну сторону, проявило аномальную устойчивость. Оно сохраняло ритм даже при сильных возмущениях, которые должны были разрушить порядок. Ученые связали это с феноменом «квантовых шрамов» — особых траекторий, позволяющих системе избегать смешивания и тепловой смерти.
Научная работа расширила границы понимания квантовой термодинамики. Оказалось, что даже в двумерных системах с их сложными взаимодействиями можно поддерживать экзотические фазы материи. Теперь у физиков есть подтвержденный инструмент для изучения неравновесных состояний вещества на существующих квантовых процессорах.