Американские физики под руководством Кристофера Монро из Университета Мериленда смогли создать «кристалл времени» - структуру, которая всегда движется по одной и той же схеме, не останавливаясь, не затрачивая и не теряя энергию. Отчет об исследовании опубликован на arXiv.org, с кратким популярным изложением можно ознакомиться на сайтах MIT Technology Review и N+1.

Впервые идею кристалла времени предложил нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек, которому, в частности, принадлежит открытие асимптотической свободы, согласно которой, чем ближе кварки друг к другу, тем меньше сильное взаимодействие между ними. Когда кварки находятся чрезвычайно близко друг к другу, то ядерные силы между ними настолько слабы, что кварки ведут себя почти как свободные частицы. В 2012 году Вильчек предположил, что могут существовать классические динамические и квантовые системы, в которых будет наблюдаться нарушение временной симметрии, то есть такие системы будут пребывать в постоянном движении. Его гипотеза была основана на наблюдении за кристаллами. При кристаллизации материи атомы выстраиваются, образуя трехмерную симметричную структуру. Каждый атом занимает лишь те позиции, которые ему доступны в данной структуре, то есть они они имеют ограниченный, дискретный выбор, что, по сути противоречит положению о том, что каждый атом может занимать любое место. Вильчек предположил, что, по аналогии с кристаллами пространственными, могут существовать кристаллы временные, изменяющие симметрию времени - иными словами, находящиеся в непрерывном движении, то есть вращаться. Это предположение было встречено научной общественностью с недоверием, поскольку, согласно законам физики, ничто не может совершать периодические действия, не затрачивая энергию или не получая ее извне.

Тем не менее некоторые ученые провели ряд экспериментов, целью которых стало создание кристалла времени.  Известен эксперимент в Беркли, когда ученые для создания пытались расположить ионы кальция в ионной ловушке. Теоретически после включения электрического поля ионы были должны образовать кристаллическое кольцо, а при охлаждении системы и включении постоянного магнитного поля кольцо должно было вращаться. Но эксперимент  не был успешным. Но исследование группы Кристофера Монро доказало, что создание кристалла времени возможно, если отказаться от требования минимальности энергии и обеспечить стабильность системы за счет интерференции компонентов друг с другом, в результате чего энергия не может покинуть систему. Именно поэтому ученые внесли дополнение - созданная ими система носит название «дискретный кристалл времени».

Квантовая система, созданная исследователями, представляет собой кольцо из ионов иттербия, охлажденных до почти абсолютного нуля и расположенных в ловушке. Ионы расположены по отношению друг к другу таким образом, что их спины постоянно взаимодействуют. Ученые изменяли спины атомов при помощи лазера и заметили, что частота переключения лазера практически не меняет частоту кристалла - то есть он представляет собой стабильную и изолированную от внешней среды структуру с постоянным движением. Как полагают ученые, это служит подтверждением тому, что созданная структура является «кристаллом времени». Также они обнаружили, что регулярные внешний воздействия такую структуру разрушают.

Как полагают авторы исследования, подобные системы могут стать основой для создания систем квантовой памяти, что, в свою очередь, приблизит создание квантовых компьютеров.