Дерево Фэри воплотилось в кристалле времени впервые в истории

Физики из Технического университета Дортмунда впервые зафиксировали полный спектр необычного поведения кристалла времени, переходящего от идеальной синхронности к хаосу — и всё это в пределах одного полупроводника. Новый эксперимент, описанный в журнале Nature Communications, открывает ранее невиданные динамические фазы в этой экзотической структуре и обещает важные шаги к пониманию того, как работают сложные нелинейные системы — как в физике, так и в живой природе.

Команда под руководством Алекса Грейлиха использовала особый кристалл из арсенида индия-галлия. Год назад они уже опубликовали работу о нём в Nature Physics, показав, как постоянное лазерное освещение вызывает самопроизвольные периодические колебания — то есть превращает структуру в кристалл времени. Теперь учёные пошли дальше и вместо непрерывного облучения стали воздействовать на кристалл импульсами с различной частотой.

Результат оказался поразительным. Кристалл реагировал на этот ритм с удивительным разнообразием: в одних режимах он идеально синхронизировался с внешним воздействием, в других — демонстрировал сложные переходы и даже хаотическое поведение. Систему можно было «настроить» на определённые дробные частоты — именно те, которые входят в так называемую «последовательность дерева Фэри», математическую структуру с иерархией частот, ранее никогда не наблюдавшуюся в физическом эксперименте.

Когда частота внешнего воздействия выходила за определённые пределы, поведение становилось всё менее предсказуемым. Сначала появлялись так называемые «лестницы дьявола» — структуры, где частоты дробятся, образуя симметричные ветви, ведущие вверх и вниз, к новым частотным плато. По мере роста частоты эти лестницы разветвлялись, сужались, и в какой-то момент всё приходило к хаосу — состоянию, в котором малейшее изменение параметров способно полностью изменить поведение системы. И всё же это не полный беспорядок: за порогом хаоса снова возникал порядок — движение становилось регулярным и повторяющимся.

Как подчёркивает Алекс Грейлих, всё это впервые зафиксировано именно в полупроводнике, а не в более экзотических лабораторных условиях. Это открывает дорогу к новым способам управления свойствами материалов на фундаментальном уровне. Особенно важно это для электроники, где даже незначительное влияние на динамику может привести к радикальным изменениям в работе устройства.

Исследователи отмечают, что такие нелинейные динамики встречаются не только в физике: они лежат в основе биологических процессов вроде сердечного ритма, координированного движения стай птиц или звуковой коммуникации у насекомых. Это означает, что временные кристаллы могут стать не просто физическим феноменом, но и универсальной моделью для изучения сложных систем в целом.