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.”
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