Эмергентный дискретный пространственно-временной кристалл мажораноподобных квазичастиц в хиральных жидких кристаллах

Узоры, которые тикают как часы

Кристаллы обычно представляют как повторяющиеся пространственные структуры, например атомную решетку алмаза. В этой работе учёные исследуют более необычную идею: материалы, которые развивают повторяющиеся узоры во времени, тикая в собственном ритме даже при воздействии периодического внешнего сигнала. Они показывают, что распространённый материал дисплеев — жидкие кристаллы — может образовывать такие «кристаллы времени» в обычной лабораторной установке, открывая новый способ организации вещества в пространстве и времени.

Обычные жидкие кристаллы при необычном возбуждении

Жидкие кристаллы уже используются в большинстве плоских экранов, где электрическое поле мягко перенаправляет их стержневидные молекулы. Здесь исследователи берут хиральный (скрученный) жидкий кристалл, легируют его заряженными молекулами и помещают между двумя стеклянными пластинами, служащими прозрачными электродами. Вместо постоянного или медленно меняющегося напряжения они подают повторяющийся пилообразный электрический сигнал, известный как Флоэке-возбуждение. Под микроскопом образец не просто светлеет и темнеет: он спонтанно формирует полосатые или решётчатые цветовые узоры, регулярно повторяющиеся в пространстве, при этом их внешний вид ритмически меняется во времени.

Система, пропускающая каждый второй такт

Анализируя видеозаписи прошедшего света и разбирая цвета по пикселям, команда обнаруживает, что жидкий кристалл устанавливается в новый тип порядка. Возбуждающее напряжение имеет базовый период, но видимый узор возвращается в точности в то же состояние только после двух периодов сигнала. Это «удвоение периода» означает, что материал нарушил простое временное повторение внешнего воздействия и создал собственные, более медленные часы. Одновременно соседние яркие области в пространстве склонны двигаться и меняться противоположным образом, формируя чередование, напоминающее антиферромагнитную структуру как по образцу внутри образца, так и от одного цикла к другому. Эти проявления характеризуют систему как дискретный пространственно-временной кристалл: упорядоченную в пространстве и времени, но не просто подчиняющуюся внешнему ритму.

Крошечные дефекты, ведущие себя как частицы

Чтобы понять, что движется и меняется внутри жидкого кристалла, авторы сочетают эксперименты с подробными компьютерными моделями. Скрученный материал естественно содержит узкие стенки и линейные дефекты, где локальная ориентация молекул плохо определена или сильно деформирована. В состоянии кристалла времени эти дефекты образуют повторяющиеся цепочки, и их формы и связи плавно изменяются по мере того, как напряжение меняет знак от отрицательного к положительному и обратно. Пары таких дефектов, связанные доменными стенками, ведут себя как частица и античастица: они могут непрерывно превращаться друг в друга, аннигилировать, а затем появляться снова через полпериода, сдвинувшись на полшага решётки. Поскольку профили этих дефектов подчиняются математическим законам, сходным с таковыми для загадочных мажорановских частиц в квантовой физике, авторы описывают их как мажораноподобные квазичастицы в классическом жидком кристалле.

Устойчивое тиканье и богатая фазовая картина

Паттерны кристалла времени не требуют тонкой подстройки параметров. Исследователи картируют, как эти структуры возникают и исчезают при изменении температуры, амплитуды импульсов напряжения, периода возбуждения, толщины ячейки и внутреннего скручивания жидкого кристалла. Они выявляют широкие области устойчивости одномерных полосовых и двумерных решёточных кристаллов времени, отделённые от обычных и беспорядочных фаз. Один раз сформировавшись, эти узоры могут сохраняться локально в течение часов и на десятки или сотни тысяч циклов возбуждения, выдерживая случайные флуктуации во времени электрических импульсов и даже восстанавливаясь после введения дефектов с помощью фокусированных лазерных лучей. В более толстых образцах с более сильным скручиванием команда также наблюдает квазигексагональные структуры, чьё внутреннее время не совпадает с частотой возбуждения простым целым множителем, указывая на возможные более экзотические «дробные» кристаллы времени.

Почему этот новый тип порядка важен

Исследование демонстрирует, что поведение кристаллов времени не ограничено хрупкими квантовыми устройствами, но может возникать и в мягких классических материалах, знакомых по повседневным технологиям. В этих жидких кристаллах локализованные структуры дефектов выступают строительными блоками, которые сами организуются в упорядоченные узоры, повторяющиеся и в пространстве, и во времени. Поскольку такие структуры перенастраиваемы и устойчивы, они могли бы лечь в основу новых оптических элементов, управляющих или модулирующих свет в программируемых ритмах. В более широком контексте результаты поддерживают идею о том, что одновременное нарушение пространственной и временной симметрии является распространённой возможностью в вынужденных открытых системах, расширяя наше представление о том, как вещество может самоорганизовываться при отведении его от равновесия.

Цитирование: Zhao, H., Zhang, R. & Smalyukh, I.I. Emergent discrete space-time crystal of Majorana-like quasiparticles in chiral liquid crystals. Nat Commun 17, 4376 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70880-8

Ключевые слова: кристаллы времени, жидкие кристаллы, топологические дефекты, Флоэке-возбуждение, мажораноподобные квазичастицы