Το άτομο Rydberg περιέχει ένα ηλεκτρόνιο μακριά από τον πυρήνα. Πίστωση εικόνας: Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης
Οι ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν μια πολύ περίεργη κατάσταση της ύλης, στην οποία η διάμετρος των ατόμων της είναι εκατό φορές μεγαλύτερη από την κανονική της διάμετρο.
Οι κρύσταλλοι χρόνου, που προτάθηκαν από τον νομπελίστα Frank Wilczek το 2012, έχουν πλέον δημιουργηθεί με επιτυχία χρησιμοποιώντας άτομα Rydberg και φως λέιζερ στο Πανεπιστήμιο Tsinghua στην Κίνα, με θεωρητική υποστήριξη από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης στην Αυστρία. Αυτή η νέα κατάσταση της ύλης δεν αναπαράγεται στο χώρο όπως οι παραδοσιακοί κρύσταλλοι, αλλά στο χρόνο, παρουσιάζοντας αυθόρμητους περιοδικούς ρυθμούς χωρίς εξωτερικό ερέθισμα, ένα φαινόμενο γνωστό ως αυθόρμητη διάρρηξη της συμμετρίας.
Ένας κρύσταλλος είναι μια διάταξη ατόμων που επαναλαμβάνεται στο διάστημα, σε τακτά χρονικά διαστήματα: σε κάθε σημείο, ο κρύσταλλος φαίνεται ακριβώς ο ίδιος. Το 2012, ο νομπελίστας Frank Wilczek έθεσε το ερώτημα: Θα μπορούσε επίσης να υπάρχει ένας κρύσταλλος χρόνου — ένα αντικείμενο που επαναλαμβάνεται όχι στο χώρο αλλά στο χρόνο; Είναι δυνατόν να προκύψει ένας περιοδικός ρυθμός, ακόμα κι αν δεν επιβάλλεται συγκεκριμένος ρυθμός στο σύστημα και η αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων είναι εντελώς ανεξάρτητη από το χρόνο;
Εδώ και χρόνια, η ιδέα του Frank Wilczek έχει προκαλέσει πολλές διαμάχες. Κάποιοι θεωρούσαν κατ' αρχήν αδύνατους τους κρυστάλλους χρόνου, ενώ άλλοι προσπάθησαν να βρουν παραθυράκια και να πετύχουν κρυστάλλους χρόνου υπό ορισμένες ειδικές συνθήκες. Τώρα, ένας ιδιαίτερα εκπληκτικός τύπος κρυστάλλου χρόνου έχει δημιουργηθεί με επιτυχία στο Πανεπιστήμιο Tsinghua στην Κίνα, με την υποστήριξη του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Βιέννης στην Αυστρία. Η ομάδα χρησιμοποίησε φως λέιζερ και πολύ ειδικούς τύπους ατόμων, τα άτομα Rydberg, με διάμετρο αρκετές εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από την κανονική. Τα αποτελέσματα έχουν πλέον δημοσιευτεί σε περιοδικό Φυσική της φύσης.
Αυτόματο σπάσιμο συμμετρίας
Το χτύπημα ενός ρολογιού είναι επίσης ένα παράδειγμα περιοδικής κίνησης του χρόνου. Ωστόσο, δεν συμβαίνουν αυθόρμητα: κάποιος πρέπει να έχει πληγώσει το ρολόι και να το έχει ξεκινήσει σε μια συγκεκριμένη ώρα. Αυτός ο χρόνος έναρξης καθορίζει στη συνέχεια τον χρόνο των παλμών. Το θέμα είναι διαφορετικό με την κρυστάλλωση του χρόνου: σύμφωνα με την ιδέα του Wilczek, η περιοδικότητα θα πρέπει να προκύπτει αυθόρμητα, παρόλο που δεν υπάρχει φυσική διαφορά μεταξύ διαφορετικών χρονικών σημείων.
«Η συχνότητα κλικ είναι προκαθορισμένη από τις φυσικές ιδιότητες του συστήματος, αλλά οι χρόνοι στους οποίους συμβαίνει το κλικ είναι εντελώς τυχαίοι· αυτό είναι γνωστό ως αυθόρμητη διακοπή συμμετρίας», εξηγεί ο καθηγητής Thomas Pohl του Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης. Τεχνολογία.
Ένα στατικό σύστημα που βασίζεται σε συνεχή είσοδο φωτός έχει ως αποτέλεσμα περιοδικά σήματα εξαρτώμενα από το χρόνο. Πνευματικά δικαιώματα: Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας της Βιέννης
Ο Thomas Paul ήταν υπεύθυνος για το θεωρητικό μέρος της ερευνητικής εργασίας που οδήγησε τώρα στην ανακάλυψη ενός κρυστάλλου χρόνου στο Πανεπιστήμιο Tsinghua στην Κίνα: φως λέιζερ ακτινοβολήθηκε σε ένα γυάλινο δοχείο γεμάτο με αέριο ατόμων ρουβιδίου. Μετρήθηκε η ισχύς του φωτεινού σήματος που φτάνει στο άλλο άκρο του δοχείου.
«Αυτό είναι στην πραγματικότητα ένα σταθερό πείραμα στο οποίο δεν επιβάλλεται συγκεκριμένος ρυθμός στο σύστημα», λέει ο Thomas Paul «Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτός και ατόμων είναι πάντα οι ίδιες, η δέσμη λέιζερ έχει μια σταθερή ένταση που φτάνει στο άλλο άκρο της γυάλινης κυψέλης “Αρχίζει να ταλαντεύεται με πολύ κανονικά σχέδια.”
Γιγαντιαία άτομα
Το κλειδί του πειράματος ήταν να προετοιμαστούν τα άτομα με έναν ειδικό τρόπο: τα ηλεκτρόνια παρασκευάστηκαν σε… καλαμπόκι Τα άτομα μπορούν να περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα σε διαφορετικά μονοπάτια, ανάλογα με το πόση ενέργεια έχουν. Εάν προστεθεί ενέργεια στο εξώτατο ηλεκτρόνιο ενός ατόμου, η απόσταση μεταξύ αυτού και του ατομικού πυρήνα μπορεί να γίνει πολύ μεγάλη. Σε ακραίες περιπτώσεις, η απόσταση μεταξύ αυτού και του πυρήνα μπορεί να είναι αρκετές εκατοντάδες φορές μεγαλύτερη από την κανονική. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργούνται άτομα με γιγάντια κελύφη ηλεκτρονίων – τα λεγόμενα άτομα Rydberg.
«Αν τα άτομα στο γυάλινο βάζο μας παρασκευαστούν σε τέτοιες καταστάσεις Rydberg και η διάμετρός τους γίνει τεράστια, οι δυνάμεις μεταξύ αυτών των ατόμων γίνονται επίσης πολύ μεγάλες», εξηγεί ο Thomas Paul. «Αυτό με τη σειρά του αλλάζει τον τρόπο που αλληλεπιδράτε με το λέιζερ εάν επιλέξετε το φως λέιζερ με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να διεγείρει δύο διαφορετικές καταστάσεις Rydberg σε κάθε άτομο ταυτόχρονα, δημιουργείται ένας βρόχος ανάδρασης που προκαλεί αυθόρμητες ταλαντώσεις. μεταξύ των δύο ατομικών καταστάσεων Αυτό με τη σειρά του προκαλεί επίσης την απορρόφηση του ταλαντευτικού φωτός». Από μόνα τους, τα γιγάντια άτομα πέφτουν σε κανονικό ρυθμό, και αυτός ο ρυθμός μεταφράζεται στον ρυθμό της έντασης του φωτός που φτάνει στο τέλος του γυάλινου δοχείου.
«Έχουμε δημιουργήσει ένα νέο σύστημα εδώ που παρέχει μια ισχυρή πλατφόρμα για να εμβαθύνουμε την κατανόησή μας για το φαινόμενο του κρυστάλλου χρόνου με τρόπο που πλησιάζει πολύ την αρχική ιδέα του Frank Wilczek», λέει ο Thomas Paul. “Ακριβείς, αυτοσυντηρούμενες ταλαντώσεις θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για αισθητήρες, για παράδειγμα. Γιγαντιαία άτομα με καταστάσεις Rydberg έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για τέτοιες τεχνικές σε άλλα περιβάλλοντα.”
Αναφορά: «Διασπιτική κρυστάλλωση χρόνου σε αέριο Rydberg που αλληλεπιδρά έντονα» από τους Xiaoling Wu, Chuqing Wang, Fan Yang, Ruochen Gao, Zhao Liang, Meng Khun Te, Xiangliang Li, Thomas Paul και Li Yu, 2 Ιουλίου 2024, Φυσική της φύσης.
DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9
“Ερασιτέχνης διοργανωτής. Εξαιρετικά ταπεινός web maven. Ειδικός κοινωνικών μέσων Wannabe. Δημιουργός. Thinker.”