PRL: парящий кристалл времени нарушает третий закон Ньютона

Физики из Нью-Йоркского университета представили новую разновидность кристалла времени — необычной формы материи, частицы которой совершают устойчивые периодические движения. В отличие от предыдущих реализаций, новая система работает в макромире, видна невооруженным глазом и удерживается в воздухе с помощью звука.

Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).

Кристаллы времени — это особые системы, в которых частицы "тикают", то есть движутся в повторяющихся циклах без внешнего воздействия. Они были предсказаны теоретически и подтверждены экспериментально около десяти лет назад. Несмотря на фундаментальный характер, такие структуры рассматриваются как перспективные для квантовых вычислений и хранения данных.

В новой работе исследователи создали кристалл времени с помощью акустической левитации. Маленькие шарики из пенополистирола удерживаются в воздухе стоячей звуковой волной и взаимодействуют друг с другом, обмениваясь звуковыми колебаниями.

"Звуковые волны могут воздействовать на частицы так же, как волны на поверхности воды — на плавающий лист", — объяснила аспирантка Нью-Йоркского университета Миа Моррелл. По ее словам, погружая частицы в поле стоячей волны, можно удерживать их в воздухе вопреки силе тяжести.

Взаимодействие частиц в этой системе оказалось необычным. Более крупные шарики рассеивают больше звука и сильнее влияют на более мелкие, чем те — на них. В результате возникает несимметричное взаимодействие.

"Представьте два парома разного размера, которые подходят к причалу: каждый создает волны, влияющие на другой, но в разной степени", — пояснила Моррелл.

Такая асимметрия приводит к тому, что система ведет себя так, будто нарушает третий закон Ньютона, согласно которому силы действия и противодействия равны. В данном случае взаимодействия оказываются "несбалансированными", что позволяет частицам самопроизвольно входить в устойчивые колебания — формируя кристалл времени.

Руководитель исследования, профессор физики Дэвид Гриер, отметил, что новая система отличается простотой: "Кристаллы времени кажутся экзотическими и сложными, но наша система удивительна тем, что она очень проста".