Обикновено възприемаме топенето като сравнително прост процес — постепенно преминаване на твърдото вещество към по-хаотичното състояние на течността.
Оказва се обаче, че във Вселената има поне един вид материя, при който това се случва по съвсем различен начин.
В екзотичното състояние на материята, известно като пространствено-времеви кристал, редът в пространството и този във времето могат да се разрушават независимо един от друг.
При лабораторен експеримент, в който стотици пластмасови дискове се движат върху вибрираща плоча, физици от Шанхайския университет „Дзяо Тун“ в Китай за първи път наблюдаваха топенето на пространствено-времеви кристал. Те установиха, че процесът преминава през три ясно разграничени етапа.
Откритието, публикувано в Proceedings of the National Academy of Sciences, дава на физиците първата възможност да проследят как се разпада това необичайно състояние на материята.
Какво представлява пространствено-времевият кристал
Думата „кристал“ обикновено ни кара да си представим блестящи късове полупрозрачна скала. Във физиката обаче тя описва начина, по който атомите са подредени в даден материал.
Кристалът е твърдо вещество, чиито атоми образуват силно подредена триизмерна решетка, повтаряща се в пространството. Казано по-просто, отделните части на решетката следват един и същ повтарящ се модел.
При пространствено-времевия кристал тази структура се повтаря не само в пространството, но и във времето. Трептенията на атомите образуват устойчив ритъм, който се възпроизвежда отново и отново.
Физиците все още се опитват да разберат напълно това състояние на материята. Времевите кристали са трудни за създаване и още по-трудни за задържане в достатъчно стабилно състояние, за да могат свойствата им да бъдат подробно изследвани.
Един от най-добрите начини да разберем дадено състояние на материята е да наблюдаваме как то губи своята подреденост.
Десетилетията изследвания върху топенето на обикновените кристали са помогнали на физиците да научат повече за явления като дефектите, нарушаването на симетрията и фазовите преходи. Затова учените предполагат, че наблюдението на топенето на пространствено-времеви кристал също може да разкрие важни закономерности.
Класически модел вместо квантова система
Прекият експеримент с квантови пространствено-времеви кристали би бил изключително труден. Затова изследователите се насочват към добре познат подход — създаването на класически аналог.
Схема на експерименталната постановка. (Liu et al., PNAS, 2026)
Системата представлява плоска повърхност, която изследователите карат да вибрира с честота 100 херца, тоест 100 пъти в секунда.
Постановката наподобява плоча на Хладни, но има една съществена разлика. Върху класическата плоча на Хладни песъчинките се преместват, докато не очертаят характерните за съответната честота стоящи вълни.
В този експеримент вместо песъчинки са използвани малки пластмасови дискове. От долната страна на всеки от тях има по шест наклонени крачета, подобни на щифтове. При всяко движение на плочата те се допират до повърхността само за миг и получават случайни тласъци от силата, която задвижва системата.
Затова, вместо да се подредят в ясни фигури като песъчинките върху плочата на Хладни, дисковете първоначално се движат хаотично.
Как хаотичното движение се превръща в кристал
Когато обаче върху повърхността бъдат поставени достатъчно много дискове, се случва нещо забележително.
Те спонтанно се подреждат в триъгълна кристална структура, а цялата решетка започва да се върти като едно твърдо тяло. Един пълен оборот отнема приблизително пет часа. Това синхронизирано движение може да се запази почти цяло денонощие въпреки значителния шум в системата.
Подреждане на частиците — от хаотично състояние вляво до подредена кристална структура вдясно. (Liu et al., PNAS, 2026)
Особено важно е, че движението с петчасов период е напълно различно от вибрациите на плочата с честота 100 херца. Това означава, че бавният, повтарящ се ритъм не е пряко наложен от външното въздействие. Вибрациите единствено доставят необходимата енергия на дисковете.
Топене в три ясно разграничени етапа
За да предизвикат топенето, изследователите отстраняват част от дисковете и така намаляват плътността на системата. Кристалът обаче не се връща постепенно към първоначалното хаотично състояние. Вместо това той се разпада на три отделни етапа.
Пространственият и времевият ред в пространствено-времевия кристал се разрушават поотделно. Преди и двата вида подреденост да изчезнат напълно, системата преминава през междинни фази — флуидно-хексатично състояние и флуиден времеви кристал. (Liu et al., PNAS, 2026)
В първия етап синхронът започва да се нарушава в отделни области, докато останалата част от кристала продължава да се движи в общ ритъм.
Във втория етап времевият ритъм се разпада напълно, въпреки че кристалът все още запазва голяма част от пространствената си подреденост.
В третия етап се разрушава и самата кристална решетка, а системата преминава в състояние, наподобяващо неподредена течност.
Изследователите установяват, че зад топенето стоят два различни физични механизма. Времевият ред се губи заради отслабването на взаимодействията между частиците, докато пространствената структура се разрушава, когато дефектите започнат да се разпространяват из кристалната решетка.
Редът във времето и редът в пространството се подчиняват на различни правила
Резултатите подсказват, че подредеността във времето се управлява от принципи, които съществено се различават от онези, определящи реда в пространството.
Това не означава, че всички пространствено-времеви кристали се топят по един и същ начин. Експериментът обаче показва, че при топенето пространственият и времевият ред могат да се разделят и да изчезнат независимо един от друг. Откритието разкрива нови възможности за изучаване на фазовите преходи в класически физични системи.
„Нашите експериментални резултати разкриват сложен триетапен сценарий на топене, при който пространственият и времевият кристален ред изчезват при различни критични стойности и в резултат от различни физични механизми. Това потвърждава независимостта на тези пространствено-времеви симетрии“, пишат изследователите.
„Нашите резултати потвърждават съществуването на екзотични неравновесни кристални фази на материята в пространство-времето и откриват нови възможности за създаване на макроскопични класически системи със сложни модели на нарушаване на пространствено-времевата симетрия.“
Резултатите от изследването са публикувани в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Източник: Science Alert; превод и редакция: Владмир Тодоров
