Przejdź do treści

Naukowcy stworzyli kryształ czasu

Atom Rydberga z elektronem znajdującym się daleko od jądra

Kryształy czasu, pierwotnie zaproponowane przez laureata Nagrody Nobla Franka Wilczka w 2012 r., zostały stworzone przy użyciu atomów Rydberga i światła lasera. Ten nowy stan materii nie powtarza się w przestrzeni jak tradycyjne kryształy, ale w czasie, wykazując spontaniczne okresowe rytmy bez zewnętrznego bodźca, zjawisko znane jako spontaniczne łamanie symetrii.

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 także kryształ czasu – obiekt, który powtarza się nie w przestrzeni, ale w czasie? I czy jest możliwe, że pojawi się rytm okresowy, mimo że na układ nie jest narzucony żaden konkretny rytm, a interakcja między cząsteczkami jest całkowicie niezależna od czasu?

Pomysł Franka Wilczka od lat budził wiele kontrowersji. Niektórzy uważali, że istnienie kryształów czasu jest w zasadzie niemożliwe, podczas gdy inni próbowali znaleźć sposoby, by takie krzyształy stworzyć. Obecnie na Uniwersytecie Tsinghua w Chinach, przy wsparciu TU Wien w Austrii, udało się stworzyć kryształ czasu, który może istnieć w pewnych specjalnych warunkach. Zespół wykorzystał światło lasera i specjalne typy atomów, a mianowicie atomy Rydberga, o średnicy kilkaset razy większej niż normalnie. Wyniki tego eksperymentu opublikowano w czasopiśmie Nature Physics.

Spontaniczne łamanie symetrii

Tykanie zegara jest również przykładem ruchu okresowego. Nie dzieje się to jednak samo z siebie: ktoś musi nakręcić zegar i uruchomić go o określonej godzinie. Ten czas rozpoczęcia określa następnie momenty tyknięć. Inaczej jest z kryształem czasu: zgodnie z koncepcją Wilczka okresowość powinna pojawiać się samoistnie, chociaż w rzeczywistości nie ma fizycznej różnicy pomiędzy różnymi punktami w czasie.

„Częstotliwość taktowania jest z góry określona przez właściwości fizyczne systemu, ale momenty, w których pojawia się takt, są całkowicie losowe; nazywa się to spontanicznym łamaniem symetrii” – wyjaśnia profesor Thomas Pohl z Instytutu Fizyki Teoretycznej TU Wien.

Thomas Pohl był odpowiedzialny za teoretyczną część prac badawczych, które obecnie doprowadziły do ​​stworzenia kryształu czasu na Uniwersytecie Tsinghua w Chinach. W eksperymencie światło lasera skierowano do szklanego pojemnika wypełnionego gazem atomów rubidu i zmierzono siłę sygnału świetlnego docierającego na drugi koniec pojemnika.

„Jest to eksperyment statyczny, w którym na system nie narzuca się żadnego określonego rytmu” – mówi Thomas Pohl. „Interakcja między światłem a atomami jest zawsze taka sama, wiązka lasera ma stałą intensywność. Jednak, co zaskakujące, okazało się, że intensywność docierająca do drugiego końca szklanej komórki zaczyna oscylować według bardzo regularnych wzorów.”

zestaw laboratoryjny

Ilustracja: System statyczny z ciągłym dopływem światła prowadzi do powstania zależnych od czasu sygnałów okresowych. Źródło: TU Wien

Gigantyczne atomy

Kluczem do eksperymentu było specjalne przygotowanie atomów: elektrony atomu mogą krążyć wokół jądra na różnych orbitach, w zależności od tego, ile mają energii. Jeśli do najbardziej zewnętrznego elektronu atomu dodamy energię, jego odległość od jądra atomowego może stać się bardzo duża. W skrajnych przypadkach może znajdować się 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, to siły działające między tymi atomami również staną się bardzo duże” – wyjaśnia Thomas Pohl. „A to z kolei zmienia sposób, w jaki atomy wchodzą w interakcję z laserem. Jeśli dobierzemy światło lasera w taki sposób, aby mogło wzbudzić w każdym atomie jednocześnie dwa różne stany Rydberga, wówczas powstaje pętla sprzężenia zwrotnego, która powoduje spontaniczne oscylacje pomiędzy dwoma stanami atomowymi. To z kolei prowadzi również do oscylacyjnej absorpcji światła. Olbrzymie atomy same z siebie wpadają w regularny rytm, który przekłada się na rytm natężenia światła docierającego do końca szklanego pojemnika.

„Stworzyliśmy tutaj nowy system, który zapewnia potężną platformę do pogłębienia naszego zrozumienia zjawiska kryształu czasu w sposób bardzo zbliżony do pierwotnego pomysłu Franka Wilczka” – mówi Thomas Pohl. „Precyzyjne, samopodtrzymujące się oscylacje można zastosować na przykład w czujnikach. Gigantyczne atomy ze stanami Rydberga zostały już z powodzeniem wykorzystane w takich technikach w innych kontekstach.”

 

Więcej informacji: publikacja „Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas" Xiaoling Wu i in., Nature Physics (20224). DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9

 

Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz

 

Ilustracja: Atom Rydberga z elektronem znajdującym się daleko od jądra. Źródło: TU Wien

Reklama