25 июля, 2024

Orsk.today

Будьте в курсе последних событий в России благодаря новостям Орска, эксклюзивным видеоматериалам, фотографиям и обновленным картам.

Кристалл, способный изгибать время

Кристалл, способный изгибать время

Атом Ридберга содержит электрон далеко от ядра. Изображение предоставлено: Венский технологический университет.

Исследователям удалось создать очень странное состояние материи, в котором диаметр ее атомов в сто раз превышает ее обычный диаметр.

Кристаллы времени, предложенные нобелевским лауреатом Франком Вильчеком в 2012 году, теперь успешно созданы с использованием ридберговских атомов и лазерного света в Университете Цинхуа в Китае при теоретической поддержке Венского технологического университета в Австрии. Это новое состояние материи воспроизводится не в пространстве, как традиционные кристаллы, а во времени, демонстрируя спонтанные периодические ритмы без внешнего стимула — явление, известное как спонтанное нарушение симметрии.

Кристалл — это расположение атомов, повторяющихся в пространстве через равные промежутки времени: в каждой точке кристалл выглядит совершенно одинаково. В 2012 году нобелевский лауреат Франк Вильчек поднял вопрос: может ли существовать кристалл времени — объект, который повторяется не в пространстве, а во времени? Возможно ли возникновение периодического ритма, даже если системе не задан никакой определенный ритм и взаимодействие между частицами совершенно независимо от времени?

На протяжении многих лет идея Фрэнка Вильчека вызывала множество споров. Некоторые считали кристаллы времени невозможными в принципе, другие пытались найти лазейки и получить кристаллы времени при определенных особых условиях. Теперь особенно удивительный тип кристалла времени был успешно создан в Университете Цинхуа в Китае при поддержке Венского технологического университета в Австрии. Команда использовала лазерный свет и атомы особого типа, ридберговские атомы, диаметром в несколько сотен раз больше обычного. Результаты теперь опубликованы в журнале. Физика природы.

Автоматическое нарушение симметрии

Тиканье часов также является примером периодического движения времени. Однако они не происходят спонтанно: кто-то должен был завести часы и запустить их в определенное время. Это время начала затем определяет время ударов. Иначе обстоит дело с кристаллизацией времени: по идее Вильчека, периодичность должна возникать спонтанно, даже если между разными моментами времени нет физической разницы.

READ  На последних изображениях Юпитера, сделанных Juno, скрываются удивительные детали.

«Частота щелчков предопределена физическими свойствами системы, но моменты времени, в которые происходят щелчки, совершенно случайны; это известно как спонтанное нарушение симметрии», — объясняет профессор Томас Пол из Института теоретической физики Венского университета. Технологии.

Зависящие от времени периодические сигналы

Статическая система, основанная на непрерывном воздействии света, приводит к формированию периодических сигналов, зависящих от времени. Авторское право: Венский технологический университет

Томас Пол отвечал за теоретическую часть исследовательской работы, которая теперь привела к открытию кристалла времени в Университете Цинхуа в Китае: лазерный свет направлялся на стеклянный контейнер, наполненный газом из атомов рубидия. Измеряли силу светового сигнала, достигающего другого конца контейнера.

«На самом деле это постоянный эксперимент, в котором системе не навязывается определенный ритм», — говорит Томас Пол. «Взаимодействия между светом и атомами всегда одинаковы, лазерный луч имеет постоянную интенсивность. Но что удивительно, так это интенсивность. который достигает другого конца стеклянной ячейки». «Он начинает колебаться по очень регулярной схеме».

Гигантские атомы

Ключом к эксперименту была подготовка атомов особым образом: электроны были приготовлены в… кукуруза Атомы могут вращаться вокруг ядра по разным траекториям, в зависимости от того, сколько энергии они имеют. Если добавить энергию к самому внешнему электрону атома, расстояние между ним и атомным ядром может стать очень большим. В крайних случаях расстояние между ним и ядром может быть в несколько сотен раз больше обычного. Таким образом создаются атомы с гигантскими электронными оболочками — так называемые ридберговские атомы.

«Если атомы в нашей стеклянной банке подготовлены в таких ридберговских состояниях и их диаметр становится огромным, силы между этими атомами также становятся очень большими», — объясняет Томас Пол. «Это, в свою очередь, меняет способ взаимодействия с лазером. Если вы выберете лазерный свет таким образом, чтобы он мог возбуждать два разных ридберговских состояния в каждом атоме одновременно, создается петля обратной связи, вызывающая спонтанные колебания. между двумя атомными состояниями. Это, в свою очередь, также приводит к поглощению колебательного света». Сами по себе гигантские атомы кувыркаются в регулярном ритме, и этот ритм преобразуется в ритм интенсивности света, достигающего конца стеклянного контейнера.

READ  Телескоп Уэбба обнаруживает водяной пар, но от каменистой планеты или ее звезды?

«Мы создали здесь новую систему, которая обеспечивает мощную платформу для углубления нашего понимания феномена кристалла времени, что очень близко к оригинальной идее Фрэнка Вильчека», — говорит Томас Пол. «Например, точные автоколебания можно использовать для датчиков. Гигантские атомы с ридберговскими состояниями уже успешно использовались для таких методов в других контекстах».

Ссылка: «Диссипативная временная кристаллизация в сильно взаимодействующем ридберговском газе», авторы Сяолин Ву, Чуцин Ван, Фань Ян, Руочен Гао, Чжао Лян, Мэн Кхун Те, Сянлян Ли, Томас Пол и Ли Ю, 2 июля 2024 г., Физика природы.
DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9