Метаматериал превратили в непрерывный кристалл времени

Британские физики реализовали непрерывный временной кристалл в оптомеханическом метаматериале. Получить нужную фазу в массиве золотых наностержней удалось за счет облучения его инфракрасным светом, который индуцирует в наностержнях дипольный момент. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Кристаллизацию жидкости можно отнести к спонтанному нарушению симметрии относительно трансляции на произвольное смещение в пространстве. В 2012 году американский физик Фрэнк Вильчек предложил распространить эту идею и на время, сформулировав концепцию кристалла времени (или временного кристалла).

Первой физической реализацией этой идеи в 2016 году стали кристаллы в дискретном времени. Если некоторая система подвергается периодическому воздействию, которое разбивает время на дискретные участки, то на период накачки непрерывная симметрия редуцируется до дискретной симметрии относительно трансляций. Идея дискретных временных кристаллов основана на спонтанном нарушении уже этой, редуцированной симметрии.

После создания дискретных временных кристаллов физики продолжили попытки создания и непрерывных кристаллов, даже несмотря на фундаментальные трудности, которыми обладает исходная идея Вильчека. Впервые создать такой кристалл удалось в 2022 году физикам, исследовавшим атомный бозе-конденсат, накачиваемый равномерно усиливающимся лазерным светом в резонаторе. На этот раз непрерывный кристалл времени увидели физики из Саутгемптонского университета под руководством Николая Желудева (Nikolay Zheludev) с помощью двумерного фотонного метаматериала.

Метаматериал, который использовали физики, представлял собой нарезанную на полоски мембрану из нитрида кремния. На каждую полоску ученые нанесли золотые наностержни, поддерживающие плазмонный резонанс на длине волны близкой к 1550 нанометрам. Сами полоски могли изгибаться, колеблясь с частотами в окрестности одного мегагерца.

Идея эксперимента заключалась в облучении массива наностержней светом на резонансной для них частоте. В результате этого в них индуцировался дипольный момент, который заставлял стержни с соседних полос притягиваться и отталкиваться. Раскачивание полос изменяло долю пропущенного инфракрасного излучения, которую и измеряли авторы работы.

При небольшой мощности лазера (менее десятков микроватт) колебание полос носило случайный характер. С ростом мощности эти колебания начали синхронизироваться, причем по мере ее увеличения спектр модуляции коэффициента пропускания менялся от постоянного к периодически меняющемуся во времени. В нем сильнее проявлялась вторая гармоника, вызванная ангармоничностью колебаний полос, а также появлялся периодически возникающий и исчезающий низкочастотный хвост.

Такие колебания обладали устойчивостью с малым возмущениям, а также демонстрировали гистерезис при увеличении и уменьшении мощности лазера. Физики также убедились, что в режиме сильной синхронизации периодические изменения спектра начинаются со случайной фазы. Все эти факторы и послужили характерными признаками непрерывного временного кристалла.

Помимо кристаллов времени группа Желудева известна своим интересом к необычным конфигурациям электромагнитных полей. Мы уже рассказывали, как физики разработали метаматериал, с помощью которого можно получить электромагнитные «летающие пончики», а также исследовали участие спина в формировании у атомов тороидного дипольного момента (анаполя).