Структура темпоральных кристаллов воспроизводится через одинаковые отрезки времени, в то время как у обычных внутренняя организация повторяется в пространстве. Пространственно-временные кристаллы сочетают два этих свойства: пространственная повторяемость со временем меняет конфигурацию, но тоже повторяется с определенным периодом.
Обычно для работы с любым вариантом кристалла времени нужны особые условия, но недавно ученые смогли создать эту экзотическую форму материи из классических жидких кристаллов при комнатной температуре. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Физики взяли жидкие кристаллы, похожие на те, что используют в экранах современной электроники. Их дополнительно легировали, после чего к жидкости приложили периодический электрический сигнал. Исследователи увидели, что в темпоральном кристалле проявилось удвоение периода — узор кристалла повторялся не каждый цикл смены электрического сигнала, а каждые два.
Ученые выяснили, что за удвоение периода отвечало движение локализованных топологических солитонов и дисклинаций. Топологические солитоны — это плавные устойчивые скручивания, которые движутся как стабильные волновые пакеты по материалу. Дисклинации — резкие линии структурного несоответствия, явного нарушения ориентации молекул жидкого кристалла.
При изменении напряжения эти объекты непрерывно взаимодействуют, разрушаются и появляются снова. Они вели себя как теоретически предсказанные, но еще не найденные майорановские частицы, отметили ученые. Квазичастицы майораны — собственные античастицы, они интересуют исследователей, занимающихся изучением сверхпроводимости. Работы в этом направлении чрезвычайно сложны, а временные кристаллы показали, что могут служить классическим аналогом этих квантовых сущностей и потенциально помочь в исследованиях.
В отличие от квантовых аналогов, которые легко разрушаются, использованные в работе пространственно-временные кристаллы обладают высокой стойкостью. Они оставались идеально стабильными, даже когда ученые намеренно нарушали периодичность изменения напряжения на величину до 20 процентов. Кроме того, синхронизированное циклическое поведение кристалла продолжалось больше 24 часов. В квантовых системах продолжительность жизни временных кристаллов измеряется миллисекундами.
Работа физиков показала, что сложные пространственно-временные симметрии могут возникать в мягкой материи, обменивающейся энергией с окружающей средой. Исследование открывает путь к новой технологической области, которую ученые назвали «временной жидкокристалличностью». Авторы научной работы надеются, что развитая технологическая база использования жидких кристаллов в современной электронике позволит легко интегрировать пространственно-временные кристаллы в исследования и производство.