Все кристаллы состоят из атомов или молекул, формирующих повторяющуюся трехмерную структуру, известную под названием кристаллической решетки. Но, несмотря на такую упорядоченность, атомы углерода, располагающиеся в узлах кубической решетки алмаза, к примеру, нарушают симметрию пространства, в котором они находятся. И ученые-физики называют это явление термином "нарушение симметрии".
Однажды ученые обнаружили, что подобный эффект может проявляться не только по отношению к пространству, но и по отношению ко времени также. Нарушение симметрии, как следует из названия этого явления, может проявляться только там, где такая симметрия существует. В интервале времени, к примеру, циклически изменяющиеся источники сил или энергии, естественно, создают временной шаблон, являющийся носителем симметрии. Нарушение симметрии происходит, когда изменение сил или энергии выпадает из общего шаблона.
Для получения временной симметрии обычно используются так называемые пространственно-временные кристаллы, открытое несколько десятилетий назад новое состояние материи. Такие кристаллы уже неоднократно были созданы и изучены, но все подобные эксперименты проводились в условиях изолированных от окружающей среды систем и целого набора тщательно подобранных условий, одним из которых является чрезвычайно низкая температура.
Но для того, чтобы иметь возможность использовать на практике пространственно-временные кристаллы необходимо найти способы и создания и поддержания в стабильном состоянии в течение долгого времени при условиях, далеких от лабораторных условий.
И лишь только недавно нечто подобное удалось реализовать ученым из Калифорнийского университета в Риверсайде, которые создали стабильный пространственно-временной кристалл в системе, не изолированной от окружающей среды и находящейся при комнатной температуре. Данное достижение делает нас на один шаг ближе к использованию таких кристаллов в реальных приложениях, к примеру, для высокоточного отсчета промежутков времени.
"Когда экспериментальная система с кристаллом времени может участвовать в энергетическом обмене с окружающей средой, эффекты от влияния шумов и рассеивания "убивают" временной порядок" - пишут исследователи, - "В нашей же чисто оптической фотонной системе постоянно и искусственно сохраняется равновесие между поступлениями энергии и ее рассеиванием. Это, в свою очередь, позволяет создавать и сохранять стабильное состояние пространственно временных кристаллов долгое время".
Полностью оптический временной кристалл создается при помощи дискового резонатора из фторида магния, диаметром в один миллиметр. При освещении резонатора двумя лазерными лучами ученые фиксировали субгармонические пики в частоте биений между двумя лучами, параметры которых указывают на нарушение симметрии и возникновение временного кристалла.
Для обеспечения невосприимчивости всего это к факторам из окружающей среды ученые применили технологию самосинхронизации двух лазеров. Благодаря этому сигнал от кристалла времени всегда остается стабильным и сильным, достаточным для проведения измерений и исследований этого экзотического состояния материи.
А без потребности в использовании криогенных температур эта система может быть создана внутри специализированного оборудования вне стен лабораторий. Это может использоваться, как уже упоминалось выше, для проведения измерений интервалов времени, которые по точности сравнимы с измерениями при помощи атомных часов.
"Мы надеемся, что эта фононная система может быть использована для создания компактных и легких источников радиочастот с невероятно высокой стабильностью и точностью" - пишут исследователи, - "А такие источники, без сомнения, найдут себе в будущем множество областей их практического применения".