Порядок из хаоса. Физики создали временной кристалл, самостоятельно формирующий стабильный ритм

Нам кажется, что время движется только в одном направлении, но для темпоральных кристаллов это правило работает по другому. В этих загадочных состояниях материи внутренние элементы образуют четкий ритмический узор, циклически повторяющийся через равные промежутки времени. Раньше такие структуры считались теоретически невозможными, однако впоследствии их удалось обнаружить в самых разнообразных системах — от атомной решетки до парящего в воздухе пенополистирола.

Главная проблема подобных систем заключается в их чрезвычайной хрупкости: любое минимальное внешнее отклонение обычно полностью разрушает синхронный ритм и превращает его в хаос. Впрочем, международная команда физиков во главе с Йонасом Веенстроем из Амстердамского университета в Нидерландах обнаружила удивительный способ преодоления этой проблемы. Они смогли получить временной кристалл не с помощью принудительного навязывания внешнего ритма, а благодаря самопроизвольному процессу, в ходе которого первоначальный хаос постепенно превращается в четкий порядок.

Ученые изготовили на 3D-принтере двумерный метаматериал. Он состоял из 37 блоков в форме сотовой решетки, где каждый элемент имел в своем составе три шестиугольника, оснащенных датчиками, приводами и микроконтроллером. Компоненты запрограммировали на так называемое безответное взаимодействие: когда один шестиугольник сжимался, соседний по часовой стрелке делал то же, а соседний против часовой стрелки — расширялся.

После создания легкого исходного толчка возникли быстрые мелкие вибрации с частотой около 30 раз в секунду (30 Гц). Постепенно вдоль краев структуры стали распространяться большие и более медленные волны, поглотившие мелкие колебания. Этот процесс, который физики назвали «укрупнением волн», продолжался, пока вся структура не начала двигаться абсолютно синхронно в едином ритме.

Исследователи подтвердили устойчивость этой формы порядка с помощью математического анализа и компьютерного моделирования. Даже искусственное введение значительных шумовых помех не смогло разрушить сформированный временной кристалл. Кроме того, ученые провели дополнительный эксперимент с кольцевым метаматериалом с 24 двигателями на воздушном столе, который подтвердил действие обратной связи: чем больше становилась амплитуда волн, тем сильнее система предпочитала длинные волны, пока движение не подчинилось единой глобальной структуре.

Результаты исследования, опубликованные в научном журнале Nature, открывают широкие перспективы управления вибрациями, формой и направленным движением в таких областях, как акустика, мягкая робототехника и оптомеханика.