Могут ли порядок и хаос существовать одновременно? Ученые открыли новую фазу времени

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли впервые экспериментально наблюдали новый фазовый режим вещества во времени. Его назвали временным кристаллом рондо по аналогии с музыкальной формой, в которой повторяющаяся тема чередуется с вариациями. Работа опубликована в журнале Nature Physics.

Суть открытия в том, что системе удалось придать сразу две противоположные черты. В определенные моменты измерений она вела себя строго периодично и упорядоченно, как обычный временной кристалл. Между этими моментами ее состояние могло изменяться случайным образом и это было контролируемым беспорядком. Такой режим исследователи называют rondeau order. Он показывает что во времени может одновременно существовать и дальний порядок и кратковременные флуктуации.

Один из авторов работы Лео Мун объяснил что идею они подсмотрели в искусстве и в природе. Простые формы часто строятся на повторении. Более сложные музыка и поэзия добавляют вариации поверх однообразного фона. Похожее уже известно в обычных кристаллах. Во льду атомы кислорода образуют строгую решетку а ядра водорода могут быть расположены случайно. Во временных кристаллах последних лет нарушается симметрия по времени и система продолжает осциллировать с одной и той же частотой. Однако до сих пор исследования непериодического порядка во времени касались в основном детерминированных последовательностей вроде квазикристаллов. Новый эксперимент впервые совместил стробоскопическую периодичность и управляемый шум.

Для реализации фазы ученые использовали ядерные спины изотопа углерода-13 в алмазе как квантовый симулятор. Спины в таком кристалле расположены случайно и взаимодействуют через дальнодействующие диполь-дипольные связи. Сначала их пришлось сильно поляризовать. Для этого применили дефекты NV в алмазе. Их освещали лазером и затем через микроволновые импульсы переносили возникшую поляризацию на окружающие ядерные спины. За 60 секунд поляризация выросла примерно в тысячу раз по сравнению с обычным тепловым равновесием. Это дало достаточно сильный сигнал чтобы следить за ним долго.

Дальше к системе применили сложную последовательность микроволновых импульсов. В нее входили защищающие спин локинг импульсы и специально расставленные импульсы переворота поляризации. Последовательность была частично случайной и при этом задавала нужную структуру. Контроль осуществлялся через генератор произвольных форм сигнала с большой памятью. За один эксперимент аппарат отрабатывал более 720 разных импульсов. Именно такое управляемое но не полностью периодическое возбуждение и породило порядок рондо.

При измерениях спины в определенные моменты неизменно переворачивались. Это было тем самым регулярным поведением которое принято считать признаком временного кристалла. Но между этими моментами поляризация вела себя хаотично и не подчинялась простой закономерности. Эта совместимость предсказуемого дальнего порядка и коротких случайных участков и есть главный признак новой фазы. Авторы называют решающим доказательством частотный анализ. Обычный дискретный временной кристалл дает один острый пик в спектре. У временного кристалла рондо получился сглаженный распределенный спектр по всем частотам. Это стало тем самым очевидным аргументом что в системе одновременно присутствуют порядок и беспорядок.

Еще один любопытный результат состоит в том что исследователи смогли закодировать информацию в самой временной структуре беспорядка. Они подобрали такую последовательность импульсов что в динамике спинов оказалась записана фраза из названия статьи длиной более 190 символов. Здесь данные хранятся не в пространственном расположении элементов а во времени. В нужный момент спин указывает вверх или вниз и этим задается бит. Авторы признают что это пока не прямая прикладная технология. Но идея о том что непериодический управляемый драйв может одновременно поддерживать долгоживущий порядок и нести полезную информацию выглядит многообещающей.

По словам ученых алмаз с ядерными спинами углерода удобен для таких экспериментов. Сам материал химически стабилен. Он слабо реагирует на температуру. Он хорошо экранирует спины от внешнего шума. Это позволяет долго наблюдать эволюцию системы. В их опыте новый временной порядок сохранялся более четырех секунд и выдержал свыше 170 периодов. Меняя параметры драйва исследователи построили фазовую диаграмму устойчивости и показали что время жизни и нагрев системы подчиняются ожидаемым законам.

В заключение авторы отмечают что тот же экспериментальный подход уже позволил им реализовать и другие сложные режимы эволюции во времени. В том числе с детерминированными непериодическими последовательностями вроде Туе Морса и Фибоначчи. Это значит что область неравновесных временных фаз оказывается шире чем классические дискретные временные кристаллы. Следующим шагом команда рассматривает альтернативные материалы например кристаллы с допированием пентаценом где спины протона чувствительнее. Исследователи не исключают что управляемый беспорядок можно будет использовать в квантовых сенсорах или в памяти которая опирается не на пространство а на устойчивые структуры во времени.