Shkencëtarët krijojnë një “kristal kohe” duke përdorur atome gjigantë, një koncept që mendohej prej kohësh si i pamundur

Shkencëtarët krijojnë një “kristal kohe” duke përdorur atome gjigantë, një koncept që mendohej prej kohësh si i pamundur

Nga Eric Ralls> Earth.com shkrimtar i stafit: Scientists create an “impossible” time crystal using giant atoms – Earth.com/¹

Në vitin 2012, nobelisti Frank Wilczek² pyeti nëse simetria që rregullon atomet në një kristal të zakonshëm mund të thyhet gjithashtu me kalimin e kohës, duke prodhuar një strukturë që rreh përgjithmonë me ritmin e saj.

Më shumë se një dekadë më vonë, studiuesit në Universitetin Tsinghua³, duke punuar me teoricienë nga Universiteti i Teknologjisë i Vjenës⁴, kanë parë avujt e rubidiumit të vendoset në një ritëm të tillë dhe raportojnë gjetjet e tyre.

Prof Thomas Pohl nga Instituti i Fizikës Teorike në TU Wien⁵, një bashkautor i punimit të ri, thotë se rezultati e sjell vizionin e Wilczek “shumë afër realitetit”.

Si ndryshojnë kristalet e kohës

Një kristal kohe përsëritet në kohë dhe jo në hapësirë, duke thyer uniformitetin e orës ashtu si një flokë bore thyen uniformitetin e një liqeni.

Qëndrueshmëria e këtij ritmi, e quajtur thyerje spontane e simetrisë, do të thotë se modeli mbijeton edhe kur askush nuk e detyron atë.

Provat laboratorike janë rritur shpejt, nga demonstrimet e hershme të kristaleve diskrete të kohës në 2017 deri te puna e zgavrës optike që tregoi versione të vazhdueshme në 2022. Megjithatë, çdo platformë kishte kufij, të tilla si temperatura ultra të ftohta ose jetë të shkurtra, që i lanë fizikanët të dëshironin një shtrat më të pastër testimi.

Sistemi i ri i rubidiumit⁶ funksionon në temperaturën e dhomës dhe funksionon për qindra milisekonda në të njëjtën kohë⁷, mjaftueshëm për të parë mijëra lëkundje.

Kjo qëndrueshmëri e kthen qelizën modeste të qelqit në një laborator për pyetje themelore rreth fazave të mosekuilibrit të materies.

“Frekuenca e rriqrave është e paracaktuar nga vetitë fizike të sistemit, por kohët në të cilat ndodh rriqra janë krejtësisht të rastësishme,” vëren Pohl. Deklarata nënvizon se ora e kristalit vendoset vetë, pa asnjë përcjellës të fshehur që pret në krahë.

Atomet gjigante vendosin skenën

Në zemër të eksperimentit janë atomet e Rydberg⁸, atomet e rubidiumit, elektroni i jashtëm i të cilëve është ngritur aq larg nga bërthama sa atomi fryhet në rreth një mikron të gjerë, afërsisht katër të qindtat e një floku njeriu ose 0.00004 inç.

Këto atome të fryra mbajnë fusha elektrike të ekzagjeruara që i lejojnë ata të shtyjnë dhe tërheqin njëri-tjetrin në distanca shumë herë më të mëdha në madhësinë e tyre, duke thurur gazin në një komunitet që ndërvepron fort.

Për shkak se atomet qëndrojnë në një qelizë avulli të mbyllur, ata nuk pësojnë pothuajse asnjë humbje, duke shmangur avullimin që pllakos retë ultra të ftohta. Ekipi drejtoi çdo atom me dy lazer të akorduar për të eksituar dy nivele të veçanta Rydberg në të njëjtën kohë. Kjo zgjedhje krijoi një tërheqje të integruar: një nivel lulëzoi vetëm në kurriz të tjetrit, dhe dueli prodhoi një lëkundje të ciklit kufitar që u shfaq si një valëzim në dritën e transmetuar.

Si një dhomë plot njerëz që duartrokasin derisa bien në hap, atomet u mbyllën në një rrahje të vetme. Ritmi mbeti koherent me fazën për të paktën 80 periudha, dritarja më e gjatë që detektorët mund të gjurmonin.

Kristale kohore dhe drita lazer

Asgjë në intensitetin ose frekuencën e lazerëve⁹ nuk ndryshoi gjatë vrapimit, megjithatë drita e transmetuar marshonte lart e poshtë me një periudhë prej disa mikrosekondash. Ky vetë-organizim është nënshkrimi i një kristali të vazhdueshëm kohor.

Analiza e Fourier e të dhënave me një goditje zbuloi krehëra të mprehta të majave spektrale të ndara nga frekuenca themelore e lëkundjes.

Në fillim të çdo vrapimi majat lëviznin përpara se të ngushtoheshin në një grup të qëndrueshëm, duke shënuar momentin kur kristali u këput në rend kohor me rreze të gjatë.

Funksioni i autokorrelacionit, një mënyrë standarde për të testuar rendin, mbeti i sheshtë për dhjetëra cikle pasi lëvizja u qetësua.

Rrafshnalta tregon se modeli nuk lahet me kalimin e kohës, një kërkesë kyçe për të pretenduar thyerjen e vërtetë të simetrisë¹⁰ dhe jo një dridhje kalimtare.

Kur rrezja e sondës u trondit qëllimisht me zhurmë të rastësishme, kristali ngriti supet nga shqetësimet e dobëta.

Vetëm në nivele të larta të zhurmës kontrasti i lëkundjeve ra, dhe madje edhe atëherë frekuenca themelore qëndroi e fortë derisa sinjali u zhduk në sfond.

Pse ka rëndësi konkurrenca me shumë trupa

Teoricienët e kanë ditur se një nivel i vetëm Rydberg i shoqëruar me një lazer shpesh vendoset në një gjendje të qëndrueshme ose një palë gjendje të qëndrueshme. Shtimi i një niveli të dytë ndryshon matematikën.

Pohl dhe kolegët e tij modeluan gazin me ekuacione të fushës mesatare që përfshijnë forcat van der Waals me rreze të gjatë midis atomeve gjigantë¹¹.

Llogaritja e tyre tregon se sapo të dy nivelet marrin fuqi të mjaftueshme lazer, sistemi kalon një bifurkacion Hopf¹², duke kaluar nga pikat fikse në një cikël kufitar. Diagrami i fazës së eksperimentit përputhet me atë parashikim.

Rezultati nxjerr në pah një temë që kalon nëpër kërkimin e kristalit të kohës: ndërveprimet me shumë trupa krijojnë kohëmbajtje kolektive që një grimcë e vetme nuk mund të përputhet.

Shqyrtimet e fushës theksojnë se si kjo sjellje bashkëpunuese zgjeron idetë e rendit dhe tranzicioneve të fazave në mjedise të drejtuara dhe shpërndarëse.

Në sistemin e ri, konkursi niset në një shkallë milimetrike, shumë përtej madhësisë së atomeve individuale, duke e bërë atë të dukshme me optikë standarde dhe duke u dhënë inxhinierëve një trajtim praktik të parametrave.

Mjetet dhe testet e ardhshme

Për shkak se avulli i rubidiumit qëndron në temperaturën e dhomës, konfigurimi mund të futet në çipa të mikrofabrikuar së bashku me udhëzuesit e valëve ose qarqet e mikrovalës, duke hapur rrugë për sensorë kompaktë që lexojnë rrahjet e kristaleve të kohës në kohë reale.

Studimet e fundit kanë përdorur tashmë avujt Rydberg për të zbuluar fushat e radiofrekuencës me ndjeshmëri ekstreme.

Lëkundjet e vazhdueshme, të bllokuara në fazë premtojnë sinjale me zhurmë të ulët fazore të dobishme për rikuperimin e orës, spektroskopinë precize¹³ dhe ndoshta zbulimin e valëve gravitacionale, ku çdo oshilator vetëreferues mund të shërbejë si një etiketë fazore.

Nga ana e teorisë, studiuesit tani kanë një platformë për hartën e diagrameve të fazave që përfshijnë regjime të palëvizshme, të qëndrueshme dhe kristalore kohore.

Harta se si çdo rajon shkrihet nën zhurmë ose ndryshon nën drejtimin periodik mund të testojë propozime për kristale diskrete kohore që shfaqen vetëm nën eksitim pulsues.

Shkallëzimi i konceptit të qelizave të avullit në dy ose tre dimensione mund të zbulojë nëse gjeometria hapësinore kthehet në rendin kohor, një pyetje ende kryesisht e paprekur në eksperimente.

Aplikimet e mundshme dhe pyetjet e hapura

Kristali¹⁴ i qelizave të avullit ofron gjithashtu një klasë të gjallë për termodinamikën e joekuilibrit, duke treguar se si sistemet tregtojnë energji dhe entropi duke mbajtur një model të rreptë kohor.

Mësimet e nxjerra këtu mund të informojnë modelet e sjelljes ritmike në reaksionet kimike, orët biologjike dhe madje edhe ciklet ekonomike. Inxhinierët që shikojnë rrjetet kuantike¹⁵ pyesin veten nëse fazat e kristalit kohor mund të sinkronizojnë nyjet e largëta përmes fotoneve të përbashkëta, duke reduktuar shpenzimet e përgjithshme për operacionet e ngatërrimit.

Ndërveprimet me rreze të gjatë të Rydberg dhe aksesueshmëria optike e bëjnë platformën e rubidiumit një rast tërheqës testimi.

Ende e pazgjidhur është nëse mund të ekzistojë një kristal kohor¹⁶ me të vërtetë pa shpërndarje, me sistem të mbyllur, ose nëse gjithmonë nevojitet një lidhje me një mjedis për të stabilizuar ritmin. Puna e tanishme, si shumica e të tjerave, mbështetet në një ekuilibër të shtytjes dhe humbjes.

Një pyetje tjetër është se si koherenca kuantike, në vend të lëkundjeve klasike të popullsisë, manifestohet në një kristal makroskopik të vazhdueshëm të kohës. Eksperimentet që lidhin mediat Rydberg me zgavrat me finesë të lartë së shpejti mund të hetojnë atë regjim.

Studimi është botuar në Nature Physics. /¹⁷

—–-

Reference

1. Scientists create an “impossible” time crystal using giant atoms – Earth.com ↩︎
2. Quantum Time Crystals | Phys. Rev. Lett. ↩︎
3. Tsinghua University ↩︎
4. TU Wien | TU Wien ↩︎
5. E136-Institute of Theoretical Physics | TU Wien ↩︎
6. Tiny atomic collisions unleash unexpected energy bursts – Earth.com ↩︎
7. Why our perception of time changes as we age, seeming to “fly by” – Earth.com ↩︎
8. Quantum information with Rydberg atoms | Rev. Mod. Phys. ↩︎
9. Most powerful U.S. laser, ZEUS, just hit an astounding 2 petawatts – Earth.com ↩︎
10. Physicists see the “shadow” of a quasicrystal in 4D, proving theory – Earth.com ↩︎
11. First images snapped of single atoms moving freely through space – Earth.com ↩︎
12. Hopf Bifurcation – an overview | ScienceDirect Topics ↩︎
13. Quantum secrets of water molecules found through spectroscopy – Earth.com ↩︎
14. New quantum states found in crystal layers could boost computing – Earth.com ↩︎
15. Atoms are trapped and forced to be quantum network transistors – Earth.com ↩︎
16. “Time is an illusion” and does not exist as we know it, theories claim – Earth.com ↩︎
17. Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas ↩︎