Представьте себе часы, которые работают без электричества, но их стрелки и механизмы вращаются сами по себе вечно. В новом исследовании физики из Университета Колорадо в Боулдере использовали жидкие кристаллы — те же материалы, что и в дисплеях ваших телефонов, — чтобы создать такие часы или, по крайней мере, максимально приблизиться к этой идее. Достижение команды является новым примером «временного кристалла». Так называют любопытную фазу материи, в которой частицы, такие как атомы или другие частицы, находятся в постоянном движении.
Исследователи не первые, кто создал временной кристалл, но их творение — первое, что люди могут увидеть своими глазами. Это может открыть множество технологических приложений.
«Их можно наблюдать непосредственно под микроскопом и даже, при особых условиях, невооружённым глазом», — сказал Ханьцин Чжао, ведущий автор исследования и аспирант кафедры физики в CU Boulder.
Открытие временных кристаллов
Ханьцин Чжао и Иван Смалъюх опубликовали свои результаты 4 сентября в журнале Nature Materials. В исследовании учёные разработали стеклянные ячейки, заполненные жидкими кристаллами — в данном случае стержневыми молекулами, которые ведут себя немного как твёрдые тела и немного как жидкости. При особых обстоятельствах, если на них направить свет, жидкие кристаллы начнут закручиваться и двигаться, следуя шаблонам, которые повторяются во времени.
Под микроскопом эти образцы жидких кристаллов напоминают психоделические тигровые полосы, и они могут двигаться часами — подобно вечно вращающимся часам.
«Всё рождается из ничего», — сказал Смалъюх. «Всё, что вы делаете, — это направляете свет, и возникает целый мир временных кристаллов».
Чжао и Смалъюх являются членами Колорадского филиала Международного института устойчивого развития с запутанной хиральной метаматерией (WPI-SKCM2) со штаб-квартирой в Университете Хиросимы в Японии, международного института, миссия которого — создание искусственных форм материи и вклад в устойчивое развитие.
Временные кристаллы в науке
Временные кристаллы могут показаться чем-то из научной фантастики, но они берут своё начало от природных кристаллов, таких как алмазы или поваренная соль. Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек впервые предложил идею временных кристаллов в 2012 году. Традиционные кристаллы можно представить как «пространственные кристаллы». Атомы углерода, из которых состоит алмаз, например, образуют в пространстве решётчатый узор, который очень трудно разрушить.
Вильчек задался вопросом, можно ли создать кристалл, который был бы так же хорошо организован, но во времени, а не в пространстве. Даже в состоянии покоя атомы в таком состоянии не образуют решётчатый узор, а движутся или трансформируются в бесконечном цикле — как GIF, который зацикливается навсегда.
Оригинальная концепция Вильчека оказалась невыполнимой, но с тех пор учёные создали фазы материи, которые достаточно близки к ней. В 2021 году, например, физики использовали квантовый компьютер Google Sycamore для создания специальной сети атомов. Когда команда воздействовала на эти атомы лазерным лучом, они подвергались колебаниям, которые повторялись многократно.
В новом исследовании Чжао и Смалъюх попытались выяснить, смогут ли они добиться аналогичного результата с жидкими кристаллами.
Применение временных кристаллов
Смалъюх объяснил, что если сжать эти молекулы правильным образом, они соберутся вместе так плотно, что образуют перегибы. Удивительно, но эти перегибы движутся и могут даже вести себя как атомы при определённых условиях.
«У вас есть эти изгибы, и вы не можете легко их удалить», — сказал Смалъюх. «Они ведут себя как частицы и начинают взаимодействовать друг с другом».
В текущем исследовании Смалъюх и Чжао поместили раствор жидких кристаллов между двумя кусками стекла, покрытыми молекулами красителя. Сами по себе эти образцы в основном оставались неподвижными. Но когда группа направила на них определённый вид света, молекулы красителя изменили свою ориентацию и сжали жидкие кристаллы. В процессе внезапно образовались тысячи новых перегибов.
Эти перегибы также начали взаимодействовать друг с другом, следуя невероятно сложной серии шагов. Представьте себе комнату, заполненную танцорами из романа Джейн Остин. Пары распадаются, кружатся по комнате, снова собираются вместе и делают это снова и снова. Узоры во времени также было необычно трудно разрушить — исследователи могли повышать или понижать температуру своих образцов, не нарушая движения жидких кристаллов.
«В этом прелесть этого временного кристалла», — сказал Смалъюх. «Вы просто создаёте некоторые условия, которые не так уж и особенные. Вы направляете свет, и всё происходит».
Чжао и Смалъюх говорят, что такие временные кристаллы могут иметь несколько применений. Правительства могли бы, например, добавить эти материалы в купюры, чтобы сделать их более защищёнными от подделок — если вы хотите узнать, является ли эта стодолларовая купюра подлинной, просто направьте на неё свет и посмотрите на появившийся узор.
Новый потенциал графена благодаря эффектам Флоке
Графен — это выдающийся материал — лист из переплетённых атомов углерода толщиной в один атом, который стабилен и обладает высокой проводимостью. Это делает его полезным в различных областях, таких как гибкие электронные дисплеи, высокоточные датчики, мощные батареи и эффективные солнечные элементы.
Новое исследование, проведённое под руководством учёных из Университета Гёттингена в сотрудничестве с коллегами из Брауншвейга и Бремена в Германии и Фрибурга в Швейцарии, выводит потенциал графена на совершенно новый уровень. Команда впервые напрямую наблюдала «эффекты Флоке» в графене.
Это разрешает давние споры: инженерия Флоке — метод, при котором свойства материала очень точно изменяются с помощью импульсов света — также работает в металлических и полуметаллических квантовых материалах, таких как графен. Исследование опубликовано в Nature Physics.
Учёные использовали фемтосекундную импульсную микроскопию для экспериментального исследования состояний Флоке в графене. В этой технике образцы сначала возбуждают быстрыми вспышками света, а затем исследуют с помощью задержанного светового импульса, чтобы отследить динамические процессы в материале.
«Наши измерения ясно доказывают, что «эффекты Флоке» происходят в фотоэмиссионном спектре графена», — объясняет доктор Марко Мербольдт, физик из Университета Гёттингена и первый автор исследования. «Это ясно показывает, что инженерия Флоке действительно работает в этих системах — и потенциал этого открытия огромен».
Исследование показывает, что инженерия Флоке работает во многих материалах. Это означает, что цель разработки квантовых материалов со специфическими свойствами — и делать это с помощью лазерных импульсов за чрезвычайно короткое время — становится всё ближе.
Адаптация материалов таким образом для конкретных применений может стать основой для электроники, компьютеров и сенсорных технологий будущего. Профессор Марсель Рёйцль, который руководил исследованием в Гёттингене вместе с профессором Стефаном Матиасом, говорит: «Наши результаты открывают новые способы управления электронными состояниями в квантовых материалах с помощью света. Это может привести к технологиям, в которых электроны манипулируются целенаправленно и контролируемо».
Рёйцль добавляет: «Особенно интересно то, что это также позволяет нам исследовать топологические свойства. Это особые, очень стабильные свойства, которые имеют большой потенциал для разработки надёжных квантовых компьютеров или новых датчиков для будущего».
published their findings Sept. 4 in the journal Nature Materials.“,”In the study, the researchers designed glass cells filled with liquid crystals—in this case, rod-shaped molecules that behave a little like a solid and a little like a liquid. Under special circumstances, if you shine a light on them, the liquid crystals will begin to swirl and move, following patterns that repeat over time.”,”Under a microscope, these liquid crystal samples resemble psychedelic tiger stripes, and they can keep moving for hours—similar to that eternally spinning clock.”,”\”Everything is born out of nothing,\” Smalyukh said. \”All you do is shine a light, and this whole world of time crystals emerges.\””,”Zhao and Smalyukh are members of the Colorado satellite of the International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI-SKCM2) with headquarters at Hiroshima University in Japan, an international institute with missions to create artificial forms of matter and contribute to sustainability.”,”Time crystals may sound like something out of science fiction, but they take their inspiration from naturally occurring crystals, such as diamonds or table salt.”,”Nobel laureate Frank Wilczek first proposed the idea of time crystals in 2012. You can think of traditional crystals as \”space crystals.\” The carbon atoms that make up a diamond, for example, form a lattice pattern in space that is very hard to break apart.”,”Wilczek wondered if it would be possible to build a crystal that was similarly well organized, except in time rather than space. Even in their resting state, the atoms in such a state wouldn’t form a lattice pattern, but would move or transform in a never-ending cycle—like a GIF that loops forever.”,”Wilczek’s original concept proved impossible to make, but, in the years since, scientists have created phases of matter that get reasonably close.”,”In 2021, for example, physicists used Google’s Sycamore quantum computer to create a special network of atoms. When the team gave those atoms a flick with a laser beam, they underwent fluctuations that repeated multiple times.”,”In the new study, Zhao and Smalyukh set out to see if they could achieve a similar feat with liquid crystals.”,”Smalyukh explained that if you squeeze on these molecules in the right way, they will bunch together so tightly that they form kinks. Remarkably, these kinks move around and can even, under certain conditions, behave like atoms.”,”\”You have these twists, and you can’t easily remove them,\” Smalyukh said. \”They behave like particles and start interacting with each other.\””,”In the current study, Smalyukh and Zhao sandwiched a solution of liquid crystals in between two pieces of glass that were coated with dye molecules. On their own, these samples mostly sat still. But when the group hit them with a certain kind of light, the dye molecules changed their orientation and squeezed the liquid crystals. In the process, thousands of new kinks suddenly formed.”,”Those kinks also began interacting with each other following an incredibly complex series of steps. Think of a room filled with dancers in a Jane Austen novel. Pairs break apart, spin around the room, come back together, and do it all over again. The patterns in time were also unusually hard to break—the researchers could raise or lower the temperature of their samples without disrupting the movement of the liquid crystals.”,”\”That’s the beauty of this time crystal,\” Smalyukh said. \”You just create some conditions that aren’t that special. You shine a light, and the whole thing happens.\””,”Zhao and Smalyukh say that such time crystals could have several uses. Governments could, for example, add these materials to bills to make them harder to counterfeit—if you want to know if that $100 bill is genuine, just shine a light on the \”time watermark\” and watch the pattern that appears. By stacking several different time crystals, the group can create even more complicated patterns, which could potentially allow engineers to store vast amounts of digital data.”,”\”We don’t want to put a limit on the applications right now,\” Smalyukh said. \”I think there are opportunities to push this technology in all sorts of directions.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Colorado at Boulder\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник