Ученые создали видимую форму «кристалла времени» — странной фазы материи, которая при освещении движется по бесконечно повторяющимся траекториям. Используя жидкие кристаллы, аналогичные тем, что используются в экранах телефонов, команда создала вихревые структуры, которые ведут себя как частицы и самостоятельно циклически изменяются во времени. Фото: Stock

Представьте себе часы, которые работают вечно без батареек или проводов, а их стрелки вращаются сами по себе, не останавливаясь.

В недавнем исследовании физики из Колорадского университета в Боулдере использовали жидкие кристаллы — те же материалы, что и в экранах телефонов, — чтобы воплотить эту идею в жизнь. В результате их работы появилась новая форма так называемого «временного кристалла» — фазы вещества, в которой такие компоненты, как атомы или частицы, находятся в непрерывном движении.

Хотя кристаллы времени создавались и раньше, эта версия — первая, которую можно увидеть напрямую, что может открыть возможности для их практического применения.

«Их можно наблюдать непосредственно под микроскопом и даже, при особых условиях, невооружённым глазом», — говорит Ханьцин Чжао, ведущий автор исследования и аспирант физического факультета Колорадского университета в Боулдере.

Чжао и Иван Смалюк, профессор физики и научный сотрудник Института возобновляемых и устойчивых источников энергии (RASEI), недавно опубликовали результаты своего исследования в Nature Materials.

Для своего эксперимента команда подготовила стеклянные ячейки, заполненные жидкими кристаллами, состоящими из палочкообразных молекул, которые ведут себя частично как твёрдые тела, частично как жидкости. При освещении в определённых условиях эти молекулы начинают смещаться и вращаться, образуя повторяющиеся последовательности движений.

При рассмотрении образцов под микроскопом можно увидеть узоры, напоминающие разноцветные полосы неправильной формы. Эти движения могут продолжаться часами, напоминая бесконечно вращающиеся часы.

Полосы в кристалле времени, видимые под микроскопом. Источник: Чжао и Смалюк, 2025, Nature Materials

«Всё рождается из ничего, — сказал Смалюк. — Стоит лишь посветить, и возникает целый мир кристаллов времени».

Чжао и Смалюк — сотрудники Колорадского филиала Международного института устойчивого развития с использованием узловой хиральной метаматерии (WPI-SKCM2) со штаб-квартирой в Университете Хиросимы в Японии. Это международный институт, целью которого является создание искусственных форм материи и содействие устойчивому развитию.

Кристаллы в пространстве и времени

Кристаллы времени могут показаться чем-то из области научной фантастики, но они созданы по образу и подобию природных кристаллов, таких как алмазы или поваренная соль.

Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек впервые выдвинул идею о кристаллах времени в 2012 году. Традиционные кристаллы можно назвать «пространственными кристаллами». Например, атомы углерода, из которых состоит алмаз, образуют в пространстве кристаллическую решётку, которую очень трудно разрушить. Вильчек задался вопросом, можно ли создать кристалл с такой же хорошей организацией, но во времени, а не в пространстве. Даже в состоянии покоя атомы в такой среде не образуют кристаллическую решётку, а движутся или трансформируются в бесконечном цикле — как GIF-анимация, которая зацикливается.

Первоначальную концепцию Вильчека оказалось невозможно реализовать, но за прошедшие годы учёные создали фазы материи, которые достаточно близки к оригиналу.

Например, в 2021 году физики использовали квантовый компьютер Sycamore от Google для создания специальной сети атомов. Когда команда воздействовала на эти атомы лазерным лучом, они подвергались колебаниям, которые повторялись многократно.

Танцующие кристаллы

В новом исследовании Чжао и Смалюк решили выяснить, можно ли добиться подобного эффекта с помощью жидких кристаллов.

Смалюк объяснил, что если правильно воздействовать на эти молекулы, они будут сжиматься настолько плотно, что образуют изгибы. Примечательно, что эти изгибы могут перемещаться и даже при определённых условиях вести себя как атомы.

«У вас есть эти завихрения, и их не так просто убрать, — сказал Смалюк. — Они ведут себя как частицы и начинают взаимодействовать друг с другом».

В ходе текущего исследования Смалюк и Чжао поместили раствор жидких кристаллов между двумя кусочками стекла, покрытыми молекулами красителя. Сами по себе эти образцы в основном оставались неподвижными. Но когда учёные воздействовали на них определённым видом света, молекулы красителя меняли свою ориентацию и сжимали жидкие кристаллы. В результате внезапно образовывались тысячи новых изгибов.

Эти изгибы также начали взаимодействовать друг с другом, следуя невероятно сложной последовательности шагов. Представьте себе комнату, полную танцоров, как в романе Джейн Остин. Пары расходятся, кружатся по комнате, снова сходятся и повторяют всё сначала. Узоры во времени также было необычайно сложно разрушить — исследователи могли повышать или понижать температуру образцов, не нарушая движения жидких кристаллов.

«В этом и заключается прелесть этого временного кристалла, — сказал Смалюк. — Нужно просто создать некоторые условия, которые не так уж и сложны. Вы включаете свет, и всё происходит само собой».

Чжао и Смалюк говорят, что такие «кристаллы времени» можно использовать по-разному. Например, правительства могли бы добавлять эти материалы в банкноты, чтобы их было сложнее подделать. Если вы хотите узнать, настоящая ли эта стодолларовая купюра, просто направьте свет на «временной водяной знак» и посмотрите, какой узор появится. Комбинируя несколько разных «кристаллов времени», группа может создавать ещё более сложные узоры, которые потенциально могут позволить инженерам хранить огромные объёмы цифровых данных.

«Сейчас мы не хотим ограничивать количество приложений, — сказал Смалюк. — Я думаю, что у этой технологии есть потенциал для развития в самых разных направлениях».