Кристал — це розташування атомів, яке повторюється в просторі через рівні проміжки часу: у кожній точці кристал виглядає абсолютно однаково. У 2012 році лауреат Нобелівської премії Френк Вільчек поставив питання: чи може існувати також кристал часу — об’єкт, який повторюється не в просторі, а в часі? І чи можливо, що виникає періодичний ритм, навіть якщо системі не нав’язано певного ритму, а взаємодія між частинками повністю не залежить від часу?
Протягом багатьох років ідея Френка Вільчека викликала багато суперечок. Одні вважали кристали часу принципово неможливими, а інші намагалися знайти лазівки та реалізувати кристали часу за певних особливих умов. Тепер особливо вражаючий різновид кристала часу успішно створено в Університеті Цінхуа в Китаї за підтримки TU Wien в Австрії. Команда використовувала лазерне світло та спеціальні типи атомів, а саме атоми Рідберга, діаметр яких у кілька сотень разів перевищує звичайний. Результати опубліковані в журналі Nature Physics.
Спонтанне порушення симетрії
Цокання годинника також є прикладом часового періодичного руху. Однак це не відбувається само по собі: хтось, мабуть, завів годинник і завів його в певний час. Цей початковий час потім визначав час відліків. З кристалом часу все інакше:
Згідно з ідеєю Вільчека, періодичність повинна виникати спонтанно, хоча насправді фізичної різниці між різними моментами часу немає.
«Частота тактів визначається фізичними властивостями системи, але час, коли відбувається такт, абсолютно випадковий; це відомо як спонтанне порушення симетрії», — пояснює професор Томас Пол з Інституту теоретичної фізики Віденського університету.
Пол керував теоретичною частиною дослідницької роботи, яка тепер привела до відкриття кристала часу в Університеті Цінхуа в Китаї: лазерне світло було спрямоване на скляний контейнер, наповнений газом атомів рубідію. Була виміряна сила світлового сигналу, який надходив на інший кінець контейнера.
«Насправді це статичний експеримент, у якому системі не нав’язується певний ритм», — каже Пол. «Взаємодія між світлом і атомами завжди однакова, лазерний промінь має постійну інтенсивність. Але на диво виявилося, що інтенсивність, яка надходить на інший кінець скляної комірки, починає коливатися за дуже регулярними шаблонами».
Гігантські атоми
Ключ до експерименту полягав у тому, щоб підготувати атоми особливим чином: електрони атома можуть обертатися навколо ядра різними шляхами, залежно від того, яку енергію вони мають. Якщо додати енергію до крайнього електрона атома, його відстань від атомного ядра може стати дуже великою.
У крайніх випадках він може бути в кілька сотень разів далі від ядра, ніж зазвичай. Таким чином утворюються атоми з гігантською електронною оболонкою — так звані атоми Рідберга.
«Якщо атоми в нашому скляному контейнері готуються в таких станах Рідберга, і їхній діаметр стає величезним, тоді сили між цими атомами також стають дуже великими», — пояснює Пол.
«А це, своєю чергою, змінює спосіб їх взаємодії з лазером. Якщо ви обираєте лазерне світло таким чином, щоб воно могло збуджувати два різні стани Рідберга в кожному атомі одночасно, тоді генерується петля зворотного зв’язку, яка викликає спонтанні коливання між два атомні стани, своєю чергою, також призводять до коливального поглинання світла».
Самі по собі гігантські атоми спотикаються в регулярний ритм, і цей ритм перетворюється на ритм інтенсивності світла, яке досягає кінця скляної ємності.
«Ми створили тут нову систему, яка забезпечує потужну платформу для поглиблення нашого розуміння феномену кристала часу таким чином, що дуже наближається до оригінальної ідеї Френка Вільчека», — говорить Пол. «Точні, самопідтримувані коливання можуть бути використані, наприклад, для датчиків. Гігантські атоми з рідбергівськими станами вже успішно використовувалися для таких методів в інших контекстах».