Nature Physics: физики взорвали атомы и создали «невозможный» кристалл времени
Фото из открытых источников
Ученые взорвали кучу атомов, словно воздушные шары, чтобы создать экстремальную версию «невозможного» состояния материи. Облучая атомы рубидия лазерами, физики возбудили их до состояния Ридберга в ходе эксперимента, результатом которого стало экзотическое состояние материи, известное как кристалл времени. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
По словам команды, это открывает новый способ изучения свойств временных кристаллов, а также таких явлений, как квантовые флуктуации, корреляция и синхронизация — важный фактор при проектировании квантовых компьютеров.
Кристаллы времени, впервые описанные американским физиком-теоретиком Фрэнком Вильчеком в 2012 году, представляют собой движения частиц, которые повторяются во временном измерении, подобно тому, как кристаллы, такие как алмаз и кварц, представляют собой узоры частиц, повторяющиеся в пространстве.
В то время как первоначальная теория описывала повторяющиеся «вечно» паттерны, «временные» версии были экспериментально реализованы и наблюдались разными способами разными группами физиков. В них можно измерить колебательные паттерны, которые отличаются от любых внешних ритмов, наложенных на кристалл.
Этот новый тип кристалла времени был создан из газа атомов рубидия комнатной температуры, заключенного в стеклянный контейнер.
Группа физиков под руководством Сяолин У, Чжуцин Ван и Фан Яна из Университета Цинхуа в Китае использовала лазерный свет для возбуждения атома до состояний Ридберга. Это когда энергия добавляется к атому таким образом, что самые внешние электроны описывают более крупные орбиты вокруг ядра, по сути раздувая атом до сотен раз его нормального радиуса.
С нашей точки зрения это все еще довольно мало, но это оказывает интересный эффект на взаимодействие атомов, когда они все собраны вместе в стеклянной коробке.
«Если атомы в нашем стеклянном контейнере находятся в таких ридберговских состояниях и их диаметр становится огромным, то силы между этими атомами также становятся очень большими», — объясняет физик Томас Поль из Венского технического университета. «И это, в свою очередь, меняет способ их взаимодействия с лазером. Если вы выбираете лазерный свет таким образом, чтобы он мог возбуждать два разных состояния Ридберга в каждом атоме одновременно, то создается петля обратной связи, которая вызывает спонтанные колебания между двумя атомными состояниями. Это, в свою очередь, также приводит к осциллирующему поглощению света».
Итак, когда команда возбудила свой рубидиевый газ лазерным светом, произошло нечто захватывающее. Хотя лазер имел постоянную интенсивность, когда они измерили свет на дальнем конце контейнера, они увидели признаки атомных колебаний, поскольку атомы тикали туда-сюда между возбужденным состоянием и менее возбужденным состоянием.
Эти колебания возникли органически, тем самым отвечая определению кристалла времени.
«На самом деле это статический эксперимент, в котором системе не навязывается какой-либо определенный ритм», — говорит Поль. «Взаимодействие между светом и атомами всегда одинаково, лазерный луч имеет постоянную интенсивность. Но, как ни удивительно, оказалось, что интенсивность, которая достигает другого конца стеклянной ячейки, начинает колебаться в очень регулярных паттернах».
Это имеет потенциальные приложения в технологиях, которые требуют высокорегулярных, самоподдерживающихся колебаний. Например, метрология — наука об измерениях — могла бы использовать такую систему. А квантовая обработка информации на основе ридберговских атомов стала бы мощным инструментом для вычислительных приложений.
«Мы создали новую систему, которая обеспечивает мощную платформу для углубления нашего понимания феномена временного кристалла способом, который очень близок к первоначальной идее Фрэнка Вильчека», — говорит Поль.