Fizykom udało się powiększyć atomy do rozmiarów setki razy większych od ich zwykłych rozmiarów i stworzyć spektakularną wersję egzotycznej materii, której powstanie kiedyś uważano za niemożliwe.
Dziwna faza materii, znana jako kryształ czasu, została stworzona poprzez strzelanie laserami do atomów rubidu aż do momentu, gdy napęczniały i przyjęły wzbudzoną formę.
Naukowcy twierdzą, że w ten sposób otworzyli nowy szlak badania właściwości tajemniczych kryształów, które okresowo przechodzą między dwoma stanami, pozornie bez końca, poruszając się w nieskończoność i nigdy nie tracąc energii.
Nowa technika, którą opisano 2 lipca w czasopiśmie Fizyka przyrodymoże również pomóc naukowcom w budowie lepszych komputerów kwantowych.
„Stworzyliśmy tutaj nowy system, który stanowi potężną platformę do pogłębiania naszej wiedzy na temat zjawiska kryształu czasu w sposób bardzo zbliżony do pierwotnego pomysłu Franka Wilczka” – powiedział współautor Tomasz Pohlfizyk z Uniwersytetu Wiedeńskiego, powiedział w oświadczeniu.
Po raz pierwszy zaproponowane w 2012 r. przez fizyka i laureata Nagrody Nobla, kryształy czasu to grupy cząstek, które powtarzają się w czasie, podobnie jak inne kryształy (np. sól kuchenna czy diamenty) powtarzają się w przestrzeni.
Powiązany: Fizycy łączą dwa kryształy czasu w pozornie niemożliwym eksperymencie
To ekscytujące dla fizyków. Zwykle prawa fizyki, które są symetryczne w przestrzeni i (w większości przypadków) czasu, tworząc takie same rezultaty bez względu na ich kierunek w przestrzeni i czasie.
Ale kryształy łamią tę symetrię, układając się w preferowanym kierunku przestrzennym. Oznacza to, że nawet jeśli prawa fizyki są nadal symetryczne, tworzą różne wyniki w zależności od kierunku, w którym działają na kryształy.
Tak samo jak kryształy łamią symetrię w przestrzeni, kryształy czasu łamią ją w czasie. Istnieją w najniższej możliwej energii dozwolonej przez mechanikę kwantową i oscylują między dwoma stanami bez zwalniania.
Te niezwykłe właściwości doprowadziły do wielu twierdzeń, że kryształy czasu są maszynami perpetuum mobile, które łamią drugą zasadę termodynamiki, ale to nie jest ten przypadekKryształy, które są napędzane laserami, po prostu nie mogą tracić ani zyskiwać energii — jedyne, co robi światło lasera, które je uderza, to powoduje, że powtarzają swój dwuetapowy tasowanie. Oznacza to, że podobnie jak w przypadku wielu układów zawierających tylko garść atomów, drugie prawo nie ma do nich zastosowania.
Od czasu propozycji Wilczka powstało wiele kryształów czasu, z których każdy oferuje własne, unikalne okna do tej dziwacznej fazy materii. Aby zbudować swój kryształ czasu, naukowcy stojący za nowym badaniem zwrócili się do atomów rubidu wzbudzonych do tak zwanych stanów Rydberga.
Kierując światło lasera w szklany pojemnik wypełniony atomami rubidu, fizycy pompowali gaz tonami nadmiaru energii. Światło lasera pobudzało elektrony znajdujące się w atomach, powodując, że przestrzenie między ich jądrami atomowymi a zewnętrznymi powłokami elektronów rozdęły się do setek razy w stosunku do ich zwykłego rozmiaru. To spowodowało coś bardzo interesującego.
„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” — powiedział 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, wówczas zostanie wygenerowana pętla sprzężenia zwrotnego, która powoduje spontaniczne oscylacje między dwoma stanami atomowymi. To z kolei prowadzi również do oscylacyjnej absorpcji światła”.
Innymi słowy, w szklanym pudełku pojawił się kryształ czasu.
„To w rzeczywistości statyczny eksperyment, w którym nie narzuca się systemowi żadnego konkretnego rytmu” – dodał 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”.
Teraz, gdy stworzyli nowy rodzaj kryształu czasu, naukowcy będą kontynuować eksperymenty i testować go pod kątem dalszych zastosowań. Zasugerowali, że można go wykorzystać do tworzenia nowych, wysoce czułych czujników, a także pomóc naukowcom lepiej zrozumieć synchronizację kwantową — zjawisko, w którym wiele systemów kwantowych może działać w fazie, co pomoże w opracowaniu lepszych komputerów kwantowych.
