„Пространствено-времевите“ кристали дълго време изглеждаха като нещо възможно само за много студената и много капризна квантова физика. Новата научна работа обаче показва по-практичен вариант. Учени са постигнали подобен ефект при стайна температура в течни кристали, близки до материалите, използвани в екраните на смартфоните и телевизорите.
Екип от Университета в Хирошима, Университета на Колорадо и други научни центрове показа, че пространствено-времевите кристали могат да бъдат създадени в обикновена течнокристална среда. Досега такива структури се свързваха преди всичко със сложни квантови системи, които изискват почти абсолютна нула, капани за йони или специални квантови симулатори. Обикновеният кристал, като солта или диаманта повтаря своята структура в пространството. „Пространствено-времевите“ кристали повтарят структурата си във времето. Те съчетават и двете свойства и при външно захранване навлиза в устойчив цикъл, при който структурата се променя не хаотично, а според собствен повтарящ се ритъм.
Физиците взеха течнокристален материал, добавиха към него йонни вещества и подадоха повтарящ се електрически сигнал. След това изследователите наблюдаваха средата с помощта на оптични микроскопи и компютърни модели. Течните кристали се държаха неочаквано. Електричеството задаваше един ритъм, но материалът сам премина в режим, при който фигурата се повтаряше само на всеки два цикъла на сигнала.
Този ефект се нарича удвояване на периода. По-просто казано, материалът не просто послушно следваше външния импулс, а изгради свой собствен стабилен ритъм. Основна роля изиграха микроскопичните дефекти вътре в течния кристал. Едни от тези дефекти (топологичните солитони) изглеждат като устойчиви плавни извивки на структурата и се движат през материала като компактни вълни. При промяна на напрежението такива дефекти постоянно се превръщаха един в друг, изчезваха и възникваха наново. По своето поведение системата напомняше двойки частица-античастица при майорановите частици – редки квантови обекти, които физиците търсят вече от много години. В течните кристали изследователите не са получили самите майоранови частици, а класически аналог на подобна динамика, наблюдаван в реален материал.
Първият автор на работата, Ханцин Чжао счита, че практическото значение на откритието е свързано със самата природа на течните кристали. Електрическото превключване на течните кристали вече е в основата на огромната индустрия за дисплеи, а управляемите кристали на времето в такива материали могат с времето да доведат до създаването на приложни устройства.
Основната разлика между новата система и квантовите времеви кристали е в устойчивостта. Квантовите варианти лесно се разрушават при външна намеса. Течнокристалната структура запази синхронния режим дори след умишлено нарушаване на електрическия ритъм с 20%. Цикличното поведение продължи повече от 24 часа без прекъсване. Работата показва, че сложни пространствено-времеви симетрии могат да възникват не само в квантовия свят. Подобни режими се появяват в отворени класически материали, които работят при стайна температура и позволяват директно управление чрез електрическо поле.
Авторите наричат новото направление „времева течнокристалност“. В тази област материалите се подреждат не само в пространството, но и във времето. В перспектива устойчивите пространствено-времеви кристали могат да бъдат полезни за преконфигурируеми оптични елементи, лазерни компоненти, отклонители на лъча и свръхточни системи за управление на светлината.