В последние годы наука продвинулась к небывалым открытиям, меняющим наши представления о природе материи и времени. Одной из таких революционных концепций являются временные кристаллы — особая форма материи, обладающая уникальной способностью двигаться циклично, не тратя при этом энергию и оставаясь в неравновесном состоянии. Однако до недавнего времени создание и успешное наблюдение временных кристаллов было возможным лишь при экстремально низких температурах, близких к абсолютному нулю, что существенно ограничивало их практическое применение. Недавний прорыв ученых из Китая, которым удалось создать временные кристаллы, работающие при комнатной температуре, может изменить всю картину квантовых технологий и открыть путь к новым инновациям. Временные кристаллы — сравнительно молодая концепция, впервые предложенная около дюжины лет назад.
В отличие от обычных кристаллов, структурные единицы которых повторяются в пространстве, временные кристаллы проявляют периодичность во времени, непрерывно изменяя свое состояние с определенной периодичностью и нарушая временную симметрию. Именно это динамическое поведение позволяет им быть вечно движущимся многочастичным состоянием, идеально подходящим для квантовых систем, где стабильность и управление квантовыми состояниями являются ключевыми задачами. До открытия китайских ученых временные кристаллы создавались с использованием охлаждения атомов до сверхнизких температур, что требовало сложного и дорогостоящего оборудования, такого как лазерные оптические пинцеты, сверхточные лазеры и магнитные поля. Такие методы снижали движение атомов до практически полного их остановки, позволяя поддерживать квантовые состояния, но одновременно и создавали условия, при которых атомы постепенно терялись из системы из-за столкновений с фотоны лазеров и прочими факторами. Это ограничивало не только стабильность временных кристаллов, но и их длительность существования, что сдерживало перспективные исследования и практические применения, например, в квантовых вычислительных машинах.
Ключом к решению этой проблемы стали так называемые атомы Ридберга. Эти атомы рубидия возбуждаются лазером до таких энергетических состояний, при которых их электроны отлетают далеко от ядра, «раздувая» сами атомы и значительно уменьшая взаимодействие между ними. Такая уникальная структура позволяет создавать множественные взаимодействующие системы, которые при этом остаются более разреженными и стабильными. Важно отметить, что ученым удалось добиться сохранения этих состояний в газовой ячейке при комнатной температуре. Проведенное экспериментальное исследование показало, что облака возбуждённых атомов рубидия самостоятельно вступали в ритмическое движение — характерный признак временного кристалла.
Команда из Пекинского университета Цинхуа с помощью сложных настроек и оптимизаций обеспечила, чтобы именно состояния атомов Ридберга вызывали такое поведение, изучая при этом влияние различных типов возбуждения на природу временного кристалла. Результаты их работы, опубликованные в авторитетном научном журнале Nature Physics, указывают на возможность создания более устойчивых и долговечных временных кристаллов без необходимости в экстремальном охлаждении. Это открытие имеет фундаментальное значение для квантовой физики и прикладных технологий. Возможность работы с временными кристаллами при комнатных условиях не просто снижает энергетические затраты и стоимость экспериментов, но и повышает надёжность квантовых систем. Более стабильные временные кристаллы могут стать основой для улучшенных квантовых компьютеров, которые еще более эффективно будут управлять кубитами и минимизировать ошибки квантовых вычислений.
Кроме того, такие кристаллы могут использоваться в высокоточных измерительных приборах, квантовой памяти и других устройствах, где критически важна стабильность состояния на протяжении длительного времени. На сегодняшний день концепция временных кристаллов продолжает оставаться одним из ярчайших примеров нетрадиционных многочастичных состояний материи, в которых квантовые эффекты проявляются на макроскопическом уровне. Живое движение, происходящее в этих кристаллах, обусловлено нарушением временной симметрии — явлением, противоречащим классическому понятию инвариантности времени и позволяющим системе пребывать в различных состояниях с циклическим повторением. Для ученых это открывает новые перспективы в понимании неравновесной физики, динамики квантовых систем и способов их управления. Перспективы развития технологии комнатных временных кристаллов очень широки.
Помимо квантовых компьютеров, эти кристаллы могут найти применение в новых типах лазеров, сенсоров, систем связи и других электронных приборах с высоким уровнем квантовой кооперативности. Более того, учитывая экономическую привлекательность отказа от сверхнизких температур, это открытие приблизит массовое внедрение квантовых технологий в реальный мир, где стабильность, энергоэффективность и надежность являются ключевыми параметрами. Конечно, перед учеными еще много задач, включая изучение различных видов ритмов и форм движений временных кристаллов, оптимизацию их параметров и интеграцию в сложные квантовые системы. Однако уже сейчас ясно, что синергия квантовой науки и новых материалов в виде временных кристаллов рождает поистине революционные открытия, способные изменить технологии и наше понимание природы времени и материи. В заключение, создание временных кристаллов при комнатной температуре — один из важных шагов на пути к реальному применению квантовых эффектов в повседневной жизни.
Этот прорыв демонстрирует, что самые сложные задачи в физике можно решать новыми путями, используя инновации в стимуляции и управлении атомами на уровне квантовых состояний. Ситуация, когда устойчивое движение во времени станет частью технологического арсенала человека, уже не кажется фантастикой, а вполне достижимой целью, открывающей двери в новую эру квантовых исследований и технологий.
