Кристал, який може згинати час

Дослідникам вдалося створити дуже дивний стан матерії, в якому діаметр її атомів у сто разів перевищує її звичайний діаметр.

Кристали часу, запропоновані лауреатом Нобелівської премії Френком Вільчеком у 2012 році, тепер успішно створені за допомогою атомів Рідберга та лазерного світла в університеті Цінхуа в Китаї за теоретичної підтримки Віденського технологічного університету в Австрії. Цей новий стан матерії не відтворюється в просторі, як традиційні кристали, а в часі, демонструючи спонтанні періодичні ритми без зовнішнього стимулу, явище, відоме як спонтанне порушення симетрії.

Кристал — це розташування атомів, що повторюється в просторі через рівні проміжки часу: у кожній точці кристал виглядає абсолютно однаково. У 2012 році Нобелівський лауреат Френк Вільчек підняв питання: чи може існувати також кристал часу — об’єкт, який повторюється не в просторі, а в часі? Чи можливе виникнення періодичного ритму, навіть якщо системі не нав’язаний певний ритм і взаємодія між частинками повністю не залежить від часу?

Протягом багатьох років ідея Френка Вільчека викликала багато суперечок. Одні вважали кристали часу неможливими в принципі, а інші намагалися знайти лазівки та отримати кристали часу за певних особливих умов. Тепер особливо дивовижний тип кристала часу був успішно створений в університеті Цінхуа в Китаї за підтримки Віденського технологічного університету в Австрії. Команда використовувала лазерне світло та дуже особливі типи атомів, атоми Рідберга, діаметр яких у кілька сотень разів перевищує звичайний. Результати вже опубліковано в журналі Фізика природи.

Автоматичне порушення симетрії

Цокання годинника також є прикладом періодичного руху часу. Однак вони не відбуваються спонтанно: хтось напевно завів годинник і завів його в певний час. Цей час початку визначає час ударів. Інакше йде справа з кристалізацією часу: згідно з ідеєю Вільчека, періодичність має виникати спонтанно, навіть якщо фізичної різниці між різними моментами часу немає.

«Частота клацання визначається фізичними властивостями системи, але час, коли відбувається клацання, абсолютно випадковий; це відомо як спонтанне порушення симетрії», — пояснює професор Томас Пол з Інституту теоретичної фізики Віденського університету. технології.

Статична система, заснована на постійному надходженні світла, призводить до періодичних сигналів, що залежать від часу. Авторське право: TU Wien

Томас Пол відповідав за теоретичну частину дослідницької роботи, яка тепер привела до відкриття кристала часу в Університеті Цінхуа в Китаї: лазерне світло було освітлено на скляну ємність, наповнену газом з атомів рубідію. Була виміряна сила світлового сигналу, що досягає іншого кінця контейнера.

«Це фактично постійний експеримент, у якому системі не нав’язується певний ритм, — говорить Томас Пол. — Взаємодія між світлом і атомами завжди однакова, інтенсивність лазерного променя є незмінною який досягає іншого кінця скляної комірки». «Він починає коливатися дуже рівномірно».

Гігантські атоми

Ключем до експерименту було підготувати атоми особливим чином: електрони були підготовлені в… кукурудза Атоми можуть обертатися навколо ядра по-різному, залежно від того, якою енергією вони володіють. Якщо додати енергію до крайнього електрона атома, відстань між ним і атомним ядром може стати дуже великою. У крайньому випадку відстань між ним і ядром може бути в кілька сотень разів більше звичайного. Таким чином утворюються атоми з гігантськими електронними оболонками — так звані атоми Рідберга.

«Якщо атоми в нашій скляній банці готуються в таких станах Рідберга, і їхній діаметр стає величезним, тоді сили між цими атомами також стають дуже великими», — пояснює Томас Пол. «Це, у свою чергу, змінює спосіб взаємодії з лазером. Якщо ви обираєте лазерне світло таким чином, щоб воно могло збуджувати два різних стани Рідберга в кожному атомі одночасно, створюється петля зворотного зв’язку, яка викликає спонтанні коливання. між двома атомними станами, це, у свою чергу, також спричиняє поглинання коливального світла». Самі по собі гігантські атоми перекидаються в регулярному ритмі, і цей ритм перетворюється на ритм інтенсивності світла, що досягає кінця скляної ємності.

«Ми створили тут нову систему, яка забезпечує потужну платформу для поглиблення нашого розуміння феномену кристала часу таким чином, що дуже наближається до оригінальної ідеї Френка Вільчека», — говорить Томас Пол. «Точні, самопідтримувані коливання можуть бути використані, наприклад, для датчиків. Гігантські атоми з рідбергівськими станами вже успішно використовувалися для таких методів в інших контекстах».

Довідка: «Дисипативна часова кристалізація в сильно взаємодіючому газі Рідберга» Сяолінг Ву, Чуцін Ван, Фан Янг, Руочен Гао, Чжао Лян, Мен Кхун Те, Сянлян Лі, Томас Пол і Лі Ю, 2 липня 2024 р., Фізика природи.
DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9