Kryształ, który potrafi zakrzywić czas

Naukowcom udało się stworzyć bardzo dziwny stan materii, w którym średnica jej atomów jest sto razy większa niż jej normalna średnica.

Kryształy czasu, zaproponowane przez laureata Nagrody Nobla Franka Wilczka w 2012 r., zostały obecnie z powodzeniem utworzone przy użyciu atomów Rydberga i światła lasera na Uniwersytecie Tsinghua w Chinach, przy teoretycznym wsparciu Politechniki Wiedeńskiej w Austrii. Ten nowy stan materii nie replikuje się w przestrzeni jak tradycyjne kryształy, ale w czasie wykazuje spontaniczne okresowe rytmy bez bodźca zewnętrznego, co jest zjawiskiem znanym jako spontaniczne łamanie symetrii.

Kryształ to układ atomów powtarzający 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? Czy możliwe jest powstanie rytmu okresowego, nawet jeśli na układ nie jest narzucony żaden konkretny rytm, a oddziaływanie pomiędzy cząstkami jest całkowicie niezależne od czasu?

Pomysł Franka Wilczka od lat budzi wiele kontrowersji. Niektórzy uważali, że kryształy czasu są w zasadzie niemożliwe, podczas gdy inni próbowali znaleźć luki i uzyskać kryształy czasu w pewnych specjalnych warunkach. Obecnie na Uniwersytecie Tsinghua w Chinach, przy wsparciu Politechniki Wiedeńskiej w Austrii, udało się stworzyć szczególnie niesamowity rodzaj kryształu czasu. Zespół wykorzystał światło lasera i bardzo specjalne typy atomów, atomy Rydberga, o średnicy kilkaset razy większej niż normalnie. Wyniki opublikowano teraz w czasopiśmie Fizyka przyrody.

Automatyczne łamanie symetrii

Tykanie zegara jest także przykładem okresowego ruchu czasu. Nie zdarzają się one jednak samoistnie: ktoś musiał nakręcić zegarek i uruchomić go o określonej godzinie. Ten czas rozpoczęcia określa następnie czas uderzeń. Inaczej rzecz się ma z krystalizacją czasu: zgodnie z koncepcją Wilczka okresowość powinna powstawać samoistnie, mimo że pomiędzy różnymi punktami czasu nie ma fizycznej różnicy.

„Częstotliwość klikania jest z góry określona przez właściwości fizyczne systemu, ale momenty, w których następuje kliknięcie, są całkowicie losowe; nazywa się to spontanicznym łamaniem symetrii” – wyjaśnia profesor Thomas Pohl z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Wiedeńskiego Technologia.

System statyczny oparty na ciągłym dopływie światła skutkuje zależnymi od czasu sygnałami okresowymi. Prawa autorskie: TU Wien

Thomas Paul był odpowiedzialny za teoretyczną część prac badawczych, które obecnie doprowadziły do ​​odkrycia kryształu czasu na Uniwersytecie Tsinghua w Chinach: światło lasera skierowano na szklany pojemnik wypełniony gazem atomów rubidu. Mierzono siłę sygnału świetlnego docierającego do drugiego końca pojemnika.

„Właściwie jest to ciągły eksperyment, podczas którego na układ nie narzuca się żadnego określonego rytmu” – mówi Thomas Paul. „Oddziaływania między światłem a atomami są zawsze takie same, wiązka lasera ma stałą intensywność. Zaskakujące jest jednak natężenie dociera do drugiego końca szklanej komórki.” „Zaczyna oscylować według bardzo regularnych wzorów”.

Gigantyczne atomy

Kluczem do eksperymentu było specjalne przygotowanie atomów: elektrony przygotowano w… kukurydza Atomy mogą krążyć wokół jądra różnymi drogami, w zależności od tego, ile mają energii. Jeśli do najbardziej zewnętrznego elektronu atomu dodana zostanie energia, odległość między nim a jądrem atomowym może stać się bardzo duża. W skrajnych przypadkach odległość między nim a jądrem może być kilkaset razy większa niż normalnie. W ten sposób powstają atomy z gigantycznymi powłokami elektronowymi – tzw. atomy Rydberga.

„Jeśli atomy w naszym szklanym słoju zostaną przygotowane w takich stanach Rydberga, a ich średnica stanie się ogromna, to siły między tymi atomami również staną się bardzo duże” – wyjaśnia Thomas Paul. „To z kolei zmienia sposób interakcji z laserem. Jeśli dobierzemy światło lasera w taki sposób, aby było w stanie wzbudzić w każdym atomie jednocześnie dwa różne stany Rydberga, powstaje pętla sprzężenia zwrotnego, która powoduje spontaniczne oscylacje pomiędzy dwoma stanami atomowymi, to z kolei powoduje również absorpcję światła oscylacyjnego”. Gigantyczne atomy same z siebie spadają w regularnym rytmie, który przekłada się na rytm natężenia światła docierającego do końca szklanego pojemnika.

„Stworzyliśmy tutaj nowy system, który stanowi potężną platformę do pogłębienia naszego zrozumienia zjawiska kryształu czasu w sposób bardzo zbliżony do pierwotnego pomysłu Franka Wilczka” – mówi Thomas Paul. „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”.

Odniesienie: „Rozpraszająca krystalizacja czasu w silnie oddziałującym gazie Rydberg” autorstwa Xiaoling Wu, Chuqing Wang, Fan Yang, Ruochen Gao, Zhao Liang, Meng Khun Te, Xiangliang Li, Thomas Paul i Li Yu, 2 lipca 2024 r., Fizyka przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9