Из синхронизированных вибраций возникает странный новый кристалл времени

Фото из открытых источников

Для нас, смертных, течение времени одностороннее. Вчерашний день прошел, завтрашний еще впереди, и как бы точно и аккуратно часы ни отсчитывали секунды, мы никогда не сможем вернуться в момент, который уже прошел. Но для кристалла времени все совсем иначе.

Составляющие элементы этого загадочного состояния материи — будь то атомы, звуковые волны или топологические дефекты — строго регламентированы во времени, представляя собой повторяющийся паттерн биений, который можно было бы вырезать из записи через равные промежутки времени и идеально наложить один на другой.

Кристаллы времени, ранее считавшиеся невозможными, были обнаружены в системах от физических атомных решеток до левитирующего пенополистирола.

Теперь физики обнаружили странный новый способ возникновения временного кристалла – не путем навязывания внешнего ритма, а посредством спонтанного процесса, в котором конкурирующие колебания постепенно приходят в соответствие, – порядок постепенно возникает из хаоса. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Международная группа физиков во главе с Йонасом Веенстрой из Амстердамского университета в Нидерландах, используя напечатанный на 3D-принтере двухмерный метаматериал, наблюдала за небольшими, быстрыми колебаниями, сменяющимися постепенно более крупными и медленными волнами, пока вся структура не начала двигаться синхронно.

Исследователи называют этот процесс «волновым укрупнением», и он может выявить новый способ организации материи в устойчивые во времени структуры.

Одна из самых больших проблем в исследованиях временных кристаллов заключается в том, насколько невероятно хрупкими могут быть эти системы.

Когда вы пытаетесь поддерживать очень точную синхронность, даже незначительное возмущение может привести к хаосу. В системах с одним или двумя пространственными измерениями такие возмущения могут быть особенно разрушительными.

Поэтому возникновение стабильного, синхронизированного ритма в двумерном материале представляет особый интерес.

Один из возможных путей к такому упорядочению лежит в том, как различные части материала взаимодействуют друг с другом.

Винстра и его коллеги хотели понаблюдать за тем, что происходит с волнами в системе, когда влияние одной части системы на другую не обязательно является взаимным.

Такие взаимодействия известны как невзаимные и могут порождать своеобразную динамику. При определенных условиях, вместо того чтобы превращаться в мешанину конкурирующих колебаний, волны могут постепенно реорганизовываться, при этом более длинные и медленные паттерны сменяют более короткие и быстрые.

В конечном итоге, во всей системе может сформироваться единый, согласованный ритм.

Доказать это математически — одно дело, но воплотить это в реальном материале — задача несколько сложнее.

Для этого исследователи создали необычный метаматериал, свойства которого определяются его структурой, а не составом.

Он состоял из 37 блоков, расположенных в виде сотовой решетки, каждый из которых был изготовлен из трех упругих шестиугольников, оснащенных датчиками, исполнительными механизмами и крошечным электронным контроллером.

Компоненты были запрограммированы на взаимодействие друг с другом совершенно особым образом. Когда один шестиугольник сжимался, его сосед, вращающийся по часовой стрелке, также сжимался, а его сосед, вращающийся против часовой стрелки, расширялся.

Такая асимметричная реакция позволила исследователям создать несимметричные взаимодействия, которые они хотели изучить.

Затем они привели материал в движение.

Они слегка подтолкнули соты, внеся небольшие случайные возмущения в структуру, и наблюдали за тем, что произошло.

Сначала отдельные элементы начали быстро вибрировать, примерно 30 раз в секунду. Но постепенно появились более крупные волны, распространяющиеся по краю материала и заглушающие более мелкие колебания.

Затем, по мере того как волны становились длиннее, их колебания замедлялись, пока вся сотовая структура не начала двигаться синхронно, в едином ритме.

Однако создать волну может каждый. В следующей части будет продемонстрировано, что волна представляет собой временной кристалл.

Для этого исследователям необходимо было установить, что синхронизированные колебания являются не просто мимолетным явлением, а формой упорядоченности, которая может сохраняться даже при воздействии случайных возмущений.

Они обратились к математическому анализу и компьютерному моделированию, введя шум в свою модель, чтобы проверить, разрушит ли он синхронизированный ритм.

Это не помогло. Их результаты показали, что колебания могли оставаться когерентными, несмотря на возмущения, даже когда система приближалась к фактически бесконечному размеру.

Эксперименты не ограничились лишь сотовой структурой. Исследователи хотели выяснить, может ли подобный эффект проявиться в системе с другой архитектурой, поэтому они построили пончик, по которому будут скользить волны, — нечто вроде необычайно странного механического быка, скрещенного с аэрохоккеем.

Устройство состояло из одного эластичного кольца, оснащенного 24 двигателями, запрограммированными на создание нереципрокных взаимодействий между соседними секциями. Его поместили на воздушный стол, что позволило ему парить с минимальным трением.

Когда они включили двигатели и потревожили кольцо, по его окружности начали распространяться волны, деформируя его в последовательность меняющихся многоугольных форм.

По мере того как волны становились длиннее и медленнее, многоугольники приобретали все меньше сторон, пока движение кольца не стало определяться единым крупномасштабным узором.

Исследователи не смогли отдельно установить, что эта система также образует временной кристалл, но она выявила кое-что важное об укрупнении волн.

Их математический анализ показал, что по мере увеличения амплитуды волн изменяется динамика системы, всё больше отдавая предпочтение волнам с большей длиной волны. Эти более крупные волны затем становятся сильнее, ещё больше смещая баланс в свою пользу.

Это создает петлю обратной связи, в которой доминирующие волны постепенно становятся больше и медленнее, пока не достигнут пределов, накладываемых размером самого материала.

Вместо того чтобы навязывать синхронизированный ритм извне, исследователи нашли способ, позволяющий материалу самостоятельно организовывать свои вибрации.

Наконец, был еще один сюрприз. Исследователи также обнаружили, что этот процесс можно прервать.

В их математической модели добавление трения изменило то, какие волны могли расти. Самые длинные волны были подавлены, что предотвратило дальнейшую реорганизацию вибраций в постоянно увеличивающиеся структуры.

Вместо того чтобы весь материал пришел в соответствие друг с другом, система могла бы стабилизироваться в другом порядке – в виде устойчивых волн, распространяющихся в одном направлении вдоль ее края.

Это позволяет предположить, что одни и те же физические принципы могут приводить к различным видам организованного движения в зависимости от условий. Понимая, как контролировать эти условия, исследователи в конечном итоге смогут найти новые способы управления вибрациями в искусственно созданных материалах.

Это открытие может иметь значение для самых разных областей, от акустики до мягкой робототехники, хотя практическое применение пока еще не скоро.

Но, пожалуй, самое интересное заключается в том, что исследователям не нужно было вызывать и направлять ритм вибраций материала. С помощью инженерных решений, определяющих взаимодействие его компонентов, они создали условия, в которых вибрации могли самоорганизовываться.

Полученные результаты позволяют предположить, что такая самоорганизация может открыть новый путь к созданию устойчивого, долговременного временного порядка, которого так трудно достичь в кристаллах времени.

«Мы предполагаем, что укрупнение волн представляет собой образцовый путь к кристаллизации во времени в системах с дополнительными симметриями и связанными с ними модами Голдстоуна, — пишут они, — который можно использовать в качестве стратегии управления изменением формы и направленным движением в таких областях, как робототехника, активная материя и оптомеханика с нереципрокными фазовыми переходами».

Ну, это очевидно.