В обычном кристалле атомные или молекулярные структуры повторяются в пространстве с периодическими интервалами. Однако в 2012 году американский физик-теоретик Фрэнк Вильчек предположил, что могут существовать также системы с квантовыми состояниями, повторяющимися во времени с идеально периодическими интервалами, даже оставаясь в состоянии с самой низкой энергией. Эти кристаллы времени, впервые обнаруженные экспериментально в 2017 году, озадачивают физиков, поскольку спонтанно нарушают Т-симметрию, которая постулирует, что законы физики одинаковы независимо от времени наблюдения. В отличие от этого, кристалл времени непрерывно колеблется во времени, не потребляя энергию.

Ну, а кристалл пространства-времени еще более странный. Помимо симметрии времени такая система нарушает и пространственную симметрию. Однако до недавнего времени такие кристаллы экспериментально не наблюдались, пишет Physics World.

Ученые из Колорадского университета (США) смогли получить кристалл пространства-времени в нематической фазе жидкого кристалла. В этом состоянии вещества стержнеобразные молекулы кристалла выстраиваются параллельно друг другу, а также текут подобно жидкости. Основываясь на компьютерном моделировании, они поместили жидкий кристалл между двумя стеклянными пластинами, покрытыми светочувствительным красителем.

Под действием линейно поляризованного света постоянной интенсивности молекулы красителя поворачивались, выстраиваясь перпендикулярно направлению поляризации. Это переориентировало соседние молекулы жидкого кристалла, и эффект распространялся глубже в объем. Однако с глубиной влияние ослабевает, так что молекулы, находящиеся дальше от верхней пластины, оказывались менее выровненными.

По мере прохождении света через эту постепенно закручивающуюся структуру его линейная поляризация преобразуется, становясь к моменту достижения нижней пластины эллиптической. Молекулы красителя выстраиваются в соответствии с этой новой поляризацией, изменяя ориентацию жидкого кристалла вблизи нижней пластины. Эти изменения распространяются обратно вверх, снова влияя на молекулы вблизи верхней пластины.

Получается петля обратной связи, в которой верхняя и нижняя пластины непрерывно влияют друг на друга посредством поляризованного света, проходящего через жидкий кристалл.

«Эта динамика, обусловленная светом, в ограниченных жидких кристаллах приводит к возникновению частицеподобных топологических солитонов и кристалличности пространства-времени», — сказал Иван Смалюх, один из исследователей.

В этой среде частицеподобные топологические солитоны возникают как устойчивые, локализованные завихрения в ориентации жидкого кристалла, которые не исчезают со временем. Подобно частицам, солитоны движутся и взаимодействуют друг с другом, оставаясь неизменными. После установления петли обратной связи эти солитоны возникают в повторяющемся решетчатом узоре. Такое расположение не только сохраняется при продолжении действия петли обратной связи, но и поддерживается ею. Это явный признак того, что система демонстрирует кристаллический порядок одновременно во времени и в пространстве.

«Это первый случай, когда подобное явление наблюдается в системе жидкокристаллического мягкого вещества, — заявил Смалюх. — Наше исследование требует переосмысления различных периодических во времени явлений, чтобы выяснить, соответствуют ли они критериям поведения темпоральных кристаллов».

Совсем недавно другая группа ученых представила схему организации необычных, узловатых световых узоров в повторяющиеся кристаллы, простирающиеся как в пространстве, так и во времени. В работе описывается, как создавать и управлять решетками хопфионов — топологических солитонов — с помощью структурированных пучков двух разных цветов.