Кристалл — это расположение атомов, которое повторяется в пространстве через равные промежутки времени: в каждой точке кристалл выглядит совершенно одинаково. В 2012 году лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек поднял вrопрос: может ли существовать также кристалл времени — объект, который повторяется не в пространстве, а во времени? И возможно ли возникновение периодического ритма, даже если системе не навязывается какой-либо определенный ритм, а взаимодействие между частицами полностью независимо от времени?
Идея Фрэнка Вильчека долгие годы вызывала много споров. Некоторые считали, что кристаллы времени невозможны в принципе, в то время как другие пытались найти лазейки и реализовать кристаллы времени при определенных особых условиях.
Недавно в Университете Цинхуа в Китае при поддержке Венского технического университета в Австрии был успешно создан особенно впечатляющий вид кристалла времени.
Команда использовала лазерный свет и особые типы атомов, а именно атомы Ридберга, диаметр которых в несколько сотен раз больше обычного. Результаты были опубликованы в журнале Nature Physics.
Спонтанное нарушение симметрии
Тиканье часов также является примером временного периодического движения. Однако оно не происходит само по себе: кто-то должен был завести часы и запустить их в определенное время. Это время запуска затем определяло время тиканья. С кристаллом времени все по-другому:
Согласно идее Вильчека, периодичность должна возникать спонтанно, хотя на самом деле нет никакой физической разницы между различными моментами времени.
«Частота тиканья предопределена физическими свойствами системы, но моменты времени, в которые происходит тик, совершенно случайны; это известно как спонтанное нарушение симметрии», — объясняет профессор Томас Поль из Института теоретической физики Венского технического университета.
Поль отвечал за теоретическую часть исследовательской работы, которая теперь привела к открытию кристалла времени в Университете Цинхуа в Китае: лазерный свет направлялся в стеклянный контейнер, заполненный газом атомов рубидия. Измерялась сила светового сигнала, достигавшего другого конца контейнера.
«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».
Гигантские атомы
Ключом к эксперименту была подготовка атомов особым образом: Электроны атома могут вращаться вокруг ядра по разным траекториям в зависимости от того, сколько у них энергии. Если энергия добавляется к самому внешнему электрону атома, его расстояние от атомного ядра может стать очень большим.
В экстремальных случаях он может находиться в несколько сотен раз дальше от ядра, чем обычно. Таким образом, создаются атомы с гигантской электронной оболочкой — так называемые ридберговские атомы.
«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 Поль.
«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».
Сами по себе гигантские атомы приходят в регулярный ритм, и этот ритм преобразуется в ритм интенсивности света, достигающего конца стеклянного контейнера.
«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.
«Точные самоподдерживающиеся колебания можно использовать, например, для датчиков. Гигантские атомы с ридберговскими состояниями уже успешно использовались для таких методов в других контекстах».
