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.

«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.

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.

«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