Kryštál, ktorý dokáže ohýbať čas

Výskumníci vytvorili mimoriadne zvláštny stav hmoty. Priemer jeho atómov je stokrát väčší ako normálne.

Časové kryštály, ktoré pôvodne navrhol laureát Nobelovej ceny Frank Wilczek v roku 2012, boli teraz úspešne vytvorené pomocou Rydbergových atómov a laserového svetla na Tsinghua University v Číne, s teoretickou podporou TU Wien v Rakúsku. Tento nový stav hmoty sa neopakuje vo vesmíre ako konvenčné kryštály, ale v čase vykazuje spontánne periodické rytmy bez vonkajšej excitácie, jav známy ako spontánne narušenie symetrie.

Kryštál je usporiadanie atómov, ktoré sa v pravidelných intervaloch opakuje v priestore: v každom bode kryštál vyzerá úplne rovnako. V roku 2012 položil nositeľ Nobelovej ceny Frank Wilczek otázku: Mohol by existovať časový kryštál – objekt, ktorý sa opakuje nie v priestore, ale v čase? A je možné, že sa objaví periodický rytmus, aj keď na systém nie je uložený žiadny špecifický rytmus a interakcie medzi časticami sú úplne nezávislé od času?

Myšlienky Franka Wilczeka už mnoho rokov vzbudzujú veľa kontroverzií. Niektorí ľudia považovali časové kryštály za principiálne nemožné, iní sa snažili nájsť medzery na realizáciu časových kryštálov za určitých okolností. Teraz bol na univerzite Tsinghua v Číne v spolupráci s TU Wien v Rakúsku úspešne vytvorený obzvlášť veľkolepý typ časového kryštálu. Tím použil laserové svetlo a veľmi špeciálny typ atómov, nazývaných Rydbergove atómy, ktorých priemery sú niekoľko stokrát väčšie ako normálne. Výsledky sú teraz zverejnené v časopise fyzika prírody,

spontánne narušenie symetrie

Tikot hodín je tiež príkladom periodického pohybu. Nedeje sa to však automaticky: niekto musel natočiť hodiny a zapnúť ich v určitom čase. Tento počiatočný čas potom určuje načasovanie kliešťov. Pri časových kryštáloch je to inak: podľa Wilczekovej predstavy by periodicita mala vznikať spontánne, hoci v skutočnosti medzi rôznymi časovými bodmi nie je fyzikálny rozdiel.

„Frekvencia kliešťov je vopred určená fyzikálnymi vlastnosťami systému, ale čas, v ktorom kliešť nastane, je úplne náhodný; toto je známe ako spontánne narušenie symetrie,“ vysvetľuje profesor Thomas Pohl z Inštitútu pre teoretickú fyziku TU Wien.

Stacionárny systém s konštantným vstupom svetla vedie k časovo závislým periodickým signálom. Kredit: TU Wien

Thomas Pohl mal na starosti teoretickú časť výskumnej práce, ktorá viedla k objavu časového kryštálu na dnešnej univerzite Tsinghua v Číne: laserové svetlo svietilo do sklenenej nádoby naplnenej plynom z atómov rubídia. Merala sa sila svetelného signálu dosahujúceho druhý koniec nádoby.

„Toto je vlastne statický experiment, v ktorom nie je systému vnucovaný žiadny špecifický rytmus,“ hovorí Thomas Pohl. „Interakcia medzi svetlom a atómami je vždy rovnaká, intenzita laserového lúča je konštantná. Prekvapivo sa však ukázalo, že intenzita dosahujúca druhý koniec sklenenej bunky začína oscilovať vo vysoko pravidelných vzoroch. Je.“

obrovský atóm

Kľúčom k experimentu bolo pripraviť atómy špeciálnym spôsobom: elektróny atómu atóm Môžu obiehať po rôznych dráhach okolo jadra v závislosti od toho, koľko energie majú. Ak sa k najvzdialenejšiemu elektrónu atómu pridá energia, jeho vzdialenosť od atómového jadra sa môže veľmi zväčšiť. V extrémnych prípadoch môže byť niekoľko stokrát ďalej od jadra ako normálne. Týmto spôsobom vznikajú atómy s obrovským elektrónovým obalom – nazývané Rydbergove atómy.

„Ak sú atómy v našej sklenenej nádobe pripravené v takých Rydbergových stavoch a ich priemer je veľmi veľký, sily medzi týmito atómami sú tiež veľmi veľké,“ vysvetľuje Thomas Pohl. „A to zase mení spôsob, akým interagujú s laserom. Ak zvolíte laserové svetlo takým spôsobom, že dokáže vybudiť dva rôzne Rydbergove stavy v každom atóme súčasne, vytvorí sa spätná väzba A, ktorá spôsobí spontánne oscilácie.“ medzi dvoma atómovými stavmi to zase vedie k osciláciám absorpcie svetla. Obrie atómy sa medzi sebou kolíšu v pravidelnom rytme a tento rytmus sa premieta do rytmu intenzity svetla prichádzajúceho na koniec sklenenej nádoby.

Thomas Pohl hovorí: „Vytvorili sme tu nový systém, ktorý poskytuje výkonnú platformu na prehĺbenie nášho chápania javov časových kryštálov, čo je veľmi blízke pôvodnej myšlienke Franka Wilczeka.“ „Presné, samoudržujúce oscilácie môžu byť použité napríklad pre senzory. Obrovské atómy s Rydbergovými stavmi sa už úspešne použili na takéto technológie v iných súvislostiach.“

Odkaz: „Disipatívne časové kryštály v silne interagujúcom plyne Rydberg“ od Xiaoling Wu, Zuqing Wang, Fan Yang, Ruochen Gao, Chao Liang, Meng Khoon Te, Xiangliang Li, Thomas Pohl a Li Yu, 2. júla 2024, fyzika prírody,
DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9