Физики создали новый тип кристалла времени

Физики раздули атомы в сотни раз по сравнению с их обычным размером, чтобы создать впечатляющую версию экзотической материи, которая когда-то считалась невозможной. Новая технология, которая была описана в журнале Nature Physics, также может помочь ученым в создании более совершенных квантовых компьютеров.

"Мы создали новую систему, которая даст возможность углубить наше понимание феномена кристалла времени", - рассказывает соавтор исследования Томас Пол, физик из Венского университета.

Впервые предложенные в 2012 году физиком, лауреатом Нобелевской премии Вильчеком, кристаллы времени представляют собой группы частиц, которые повторяются во времени, подобно тому, как другие кристаллы (например, столовая соль или алмазы) повторяются в пространстве.

Это загадка давно не дает покоя физикам. Обычно законы физики, которые симметричны в пространстве и (в большинстве случаев) времени, приводят к одинаковым результатам независимо от их направления в пространстве и времени.

Но кристаллы нарушают эту симметрию, располагаясь в предпочтительном пространственном направлении. Это означает, что, даже если физические законы по-прежнему симметричны, они приводят к разным результатам в зависимости от направления воздействия на кристаллы.

Точно так же, как кристаллы нарушают симметрию в пространстве, кристаллы времени нарушают их во времени. Они существуют при минимально возможной энергии, допускаемой квантовой механикой, и колеблются между двумя состояниями без замедления.

Эти свойства привели к предположению, что кристаллы времени являются вечными двигателями, нарушающими второй закон термодинамики, но это не так. Кристаллы, приводимые в движение лазерами, просто не могут терять или набирать энергию — все, что делает попадающий на них лазерный луч, это заставляет их повторять свое двухэтапное перемещение. Это означает, что, как и во многих системах, содержащих всего несколько атомов, второй закон к ним неприменим.

С момента предложения Вильчека было изготовлено несколько кристаллов времени, каждый из которых предлагает свои уникальные окна в эту причудливую фазу материи. Чтобы создать свой кристалл времени, исследователи, стоящие за новым исследованием, обратились к атомам рубидия, возбужденным до ридберговских состояний.

Направляя лазерный луч на стеклянный контейнер, заполненный атомами рубидия, физики накачали газ тоннами избыточной энергии. Лазерный луч возбуждал электроны, находящиеся внутри атомов, в результате чего промежутки между их атомными ядрами и внешними оболочками электронов увеличивались в сотни раз по сравнению с обычными размерами. Это привело к очень интересному результату. 

"Когда атомы достигли ридберговских состояниях и их диаметр стал огромным, силы между этими атомами также стали очень большими, - говорит Пол. - И это, в свою очередь, поменяло способ их взаимодействия с лазером. Если вы выберете лазерный луч таким образом, чтобы он мог возбуждать два разных ридберговских состояния в каждом атоме одновременно, то образуется петля обратной связи, которая вызывает спонтанные колебания между двумя атомными состояниями. Это, в свою очередь, также приводит к колебательному поглощению света."

Другими словами, внутри стеклянной коробки появился кристалл времени.

"На самом деле это статический эксперимент, в котором системе не навязывается определенный ритм, - добавляет Пол. - Взаимодействия между светом и атомами всегда одинаковы, лазерный луч имеет постоянную интенсивность. Но, к удивлению, оказалось, что интенсивность, достигающая другого конца стеклянной коробки, начинает колебаться с высокой регулярностью".

Теперь, когда создан новый тип кристалла времени, исследователи продолжат экспериментировать с ним и тестировать его для дальнейшего применения. Они предположили, что его можно использовать для создания новых высокочувствительных датчиков, а также, чтобы помочь ученым лучше понять квантовую синхронизацию — явление, при котором можно заставить несколько квантовых систем действовать синхронно, что поможет в разработке более совершенных квантовых компьютеров.