Физики создали видимые человеку кристаллы времени

❋ 4.1

Ученые впервые смогли создать видимый в оптическом диапазоне темпоральный кристалл. Для этого они использовали жидкие кристаллы.

Физика

# жидкие кристаллы

# квантовые системы

# поляризация

# темпоральные кристаллы

Пространственно-временное изображение кристалла. Разная периодичность обусловлена низкой (вверху) и высокой (внизу) интенсивностью падающего на кристалл света / © Nature Materials (2025). DOI: 10. 1038/s41563-025-02344-1

Кристаллы — твердые тела с периодической структурой. Большинство из них внутренне организованы как много раз повторенная элементарная ячейка. Свойства кристалла зависят от состава, формы и строения этой ячейки. Графит и алмаз состоят из углерода, но у их элементарных ячеек разные форма и строение, поэтому одним мы можем писать по бумаге, а вторым — бурить камень.

Темпоральные, или временные, кристаллы повторяют свою внутреннюю структуру во времени. Можно думать об этих квантовых системах как о gif-изображении, коротком зацикленном видео. Теорию о временных кристаллах выдвинул нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek) в 2012 году, а в 2017-м две независимые группы ученых создали временные кристаллы и выпустили публикации об этом в одном номере журнала Nature.

Хотя доказательства существования темпоральных кристаллов уже существовали, они основывались на косвенной информации — данных спектроскопии, измерениях квантовых состояний системы. В новом исследовании физики смогли пронаблюдать кристаллы времени в оптический микроскоп. Их исследование опубликовано в журнале Nature Materials.

Чтобы сделать темпоральные кристаллы видимыми, исследователи разработали стеклянные ячейки, заполненные жидкими кристаллами. Эти стержневидные молекулы ведут себя как жидкость и могут создавать упорядоченные структуры. Если правильно сжать эти молекулы, они сбиваются в плотные группы и начинают образовывать изгибы.

«Вы не можете легко удалить эти скручивания из системы. Они ведут себя как частицы и начинают взаимодействовать друг с другом», — рассказал профессор Иван Смалюх (Ivan Smalyukh).

Ученые поместили раствор жидких кристаллов между двумя стеклами, покрытыми молекулами красителя. Когда на эту систему направили свет, молекулы красителя изменили свою ориентацию и сжали жидкие кристаллы. В процессе внезапно образовались новые изгибы.

a) Схема микроскопа. Линейно-поляризованный свет проходит через ячейку с жидким кристаллом, стенки которой покрыты светочувствительной краской, световой сигнал и его изменение после прохождения системы регистрируются камерой, b) схема прохождения света через пустую ячейку — молекулы красителя (серые прямоугольники) ориентированы перпендикулярно поляризации света. Справа — состояние электрического поля света на разной глубине, c) химические формулы молекул красителя (азобензол, серым выделена светочувствительная часть) и жидкого кристалла (зеленым), d) ячейка, заполненная жидкими кристаллами. Цвет соответствует ориентации кристалла Молекулы ЖК окрашены в соответствии с их ориентацией (см. цветовую схему). По краям — изменение электрического поля света на разной глубине в выделенных пунктиром зонах.
e) Реальная фотография временного кристалла с оптического микроскопа. Зеленая стрелка показывает ориентацию оси ретардера, черные — направления поляризаторов, f) пространственно-временное изображение кристалла, размеры: 400 микрометров × 120 секунд, выделенная область изображена на рисунке e. Белый масштаб — 50 микрометров, желтый — пять секунд / © *Nature Materials (2025). DOI: 10. 1038/s41563-025-02344-1*

Эти изгибы стали взаимодействовать друг с другом. Под микроскопом кристаллы напоминали «психоделические тигриные полоски» и двигались в течение часов. Но это не вечный двигатель: система не находится в спокойствии, она получает энергию извне, без направленного на кристалл света зацикленного движения не происходит.

Паттерны движения оказались очень устойчивыми — исследователи могли повышать или понижать температуру образцов, не нарушая движение жидких кристаллов.

Видео темпорального кристалла в движении / © Smalyukh Lab

«В этом красота временного кристалла. Вы просто создаете некоторые условия, не такие уж и особенные. Вы светите на кристалл, и все происходит само», — сказал Смалюх.

Ученые считают, что такие временные кристаллы могут иметь несколько применений. Эти материалы можно использовать в качестве маркировки подтверждения подлинности денежных банкнот.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Евгения Вавилова — научпоп автор, специализирующийся на популярной физике. Выпускница физического факультета, более 10 лет пишет о новейших открытиях в квантовой механике, астрофизике и теоретической физике. Евгения умеет объяснять сложные концепции простым языком и регулярно публикует материалы, основанные на первоисточниках — научных статьях и интервью с исследователями.