Kryształ czasu zbudowany z gigantycznych atomów – SofolFreelancer


Szkic układu eksperymentalnego: ciągłe wiązki laserowe powodują pulsujący sygnał

Naukowcy z TU Wien (Wiedeń, Austria) i Tsinghua University (Pekin, Chiny) stworzyli niezwykle egzotyczny stan materii. Jego atomy mają średnicę sto razy większą niż zwykle.

Kryształ to układ atomów, który powtarza się w przestrzeni, w regularnych odstępach czasu: W każdym punkcie kryształ wygląda dokładnie tak samo. W 2012 roku laureat Nagrody Nobla Frank Wilczek postawił pytanie: Czy może istnieć również kryształ czasu – obiekt, który powtarza się nie w przestrzeni, ale w czasie? I czy możliwe jest, że pojawi się rytm okresowy, mimo że żaden konkretny rytm nie jest narzucony systemowi, a interakcja między cząstkami jest całkowicie niezależna od czasu?

Pomysł Franka Wilczka od lat budził wiele kontrowersji. Niektórzy uważali kryształy czasu za niemożliwe w zasadzie, podczas gdy inni próbowali znaleźć luki i zrealizować kryształy czasu w pewnych szczególnych warunkach. Teraz, szczególnie spektakularny rodzaj kryształu czasu został pomyślnie stworzony na Uniwersytecie Tsinghua w Chinach, przy wsparciu TU Wien w Austrii. Zespół użył światła laserowego i bardzo szczególnych typów atomów, mianowicie atomów Rydberga, o średnicy, która jest kilkaset razy większa niż normalnie. Wyniki zostały teraz opublikowane w czasopiśmie „Nature Physics”.

Spontaniczne łamanie symetrii

Tykanie zegara jest również przykładem ruchu okresowego w czasie. Nie dzieje się to jednak samo z siebie: ktoś musiał nakręcić zegar i uruchomić go o określonej porze. Ta pora rozpoczęcia determinowała następnie czas tyknięć. Inaczej jest z kryształem czasu: zgodnie z ideą Wilczka, okresowość powinna pojawiać się spontanicznie, chociaż w rzeczywistości nie ma fizycznej różnicy między różnymi punktami w czasie.

„Częstotliwość tykania jest z góry określona przez właściwości fizyczne układu, ale momenty, w których tykanie występuje, są całkowicie losowe. Zjawisko to nazywa się spontanicznym łamaniem symetrii” – wyjaśnia prof. Thomas Pohl z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu.

Thomas Pohl był odpowiedzialny za teoretyczną część prac badawczych, które doprowadziły do ​​odkrycia kryształu czasu na Uniwersytecie Tsinghua w Chinach: Światło lasera zostało skierowane do szklanego pojemnika wypełnionego gazem atomów rubidu. Zmierzono siłę sygnału świetlnego, który dotarł do drugiego końca pojemnika.

„To w rzeczywistości statyczny eksperyment, w którym nie narzuca się systemowi żadnego konkretnego rytmu” — mówi Thomas Pohl. „Interakcje między światłem a atomami są zawsze takie same, wiązka lasera ma stałą intensywność. Ale ku zaskoczeniu wszystkich okazało się, że intensywność docierająca do drugiego końca szklanej celi zaczyna oscylować w bardzo regularnych wzorcach”.

Olbrzymie atomy

Kluczem do eksperymentu było przygotowanie atomów w szczególny sposób: Elektrony atomu mogą krążyć wokół jądra po różnych ścieżkach, w zależności od tego, ile mają energii. Jeśli do najbardziej oddalonego elektronu atomu zostanie dodana energia, jego odległość od jądra atomowego może stać się bardzo duża. W skrajnych przypadkach może być ona kilkaset razy dalej od jądra niż zwykle. W ten sposób powstają atomy z gigantyczną powłoką elektronową – tzw. atomy Rydberga.

„Jeśli atomy w naszym szklanym pojemniku zostaną przygotowane w takich stanach Rydberga, a ich średnica stanie się ogromna, siły między tymi atomami również staną się bardzo duże” — wyjaśnia Thomas Pohl. „A to z kolei zmienia sposób, w jaki oddziałują one z laserem. Jeśli wybierzesz światło lasera w taki sposób, że może ono wzbudzić dwa różne stany Rydberga w każdym atomie w tym samym czasie, zostanie wygenerowana pętla sprzężenia zwrotnego, która spowoduje spontaniczne oscylacje między dwoma stanami atomowymi. To z kolei prowadzi również do oscylacyjnej absorpcji światła”. Same w sobie olbrzymie atomy potykają się o regularny rytm, a ten rytm jest tłumaczony na rytm intensywności światła, która dociera do końca szklanego pojemnika.

„Stworzyliśmy tutaj nowy system, który zapewnia potężną platformę do pogłębiania naszego zrozumienia zjawiska kryształu czasu w sposób, który jest bardzo bliski oryginalnemu pomysłowi Franka Wilczka” — mówi Thomas Pohl. „Precyzyjne, samopodtrzymujące się oscylacje można wykorzystać na przykład w czujnikach. Olbrzymie atomy ze stanami Rydberga zostały już z powodzeniem wykorzystane do takich technik w innych kontekstach”.

Oryginalna publikacja

X. Wu i in., Kryształ czasu dyssypatywnego w silnie oddziałującym gazie Rydberga, Nature Physics (2024).

Leave a Reply