Wissenschaftler haben Atombündel wie Ballons in die Luft gesprengt, um eine extreme Version eines „unmöglichen“ Zustands der Materie zu erzeugen.
Indem Physiker Rubidiumatome mit einem Laser beschossen, brachten sie sie in eine geschwollene Form Rydberg-Staat Ein Experiment führte zu einem seltsamen Zustand der Materie, der als Zeitkristall bekannt ist.
Das Team sagt, dass dies einen neuen Weg zur Erforschung der Eigenschaften von Zeitkristallen sowie von Phänomenen wie Quantenfluktuationen, Korrelation und Synchronisation eröffnet – ein wichtiger Faktor beim Design von Quantencomputern.
Es wurde zum ersten Mal beschrieben Geschrieben von einem amerikanischen theoretischen Physiker Frank Wilszyk In 2012Zeitkristalle sind Bewegungen von Teilchen, die sich in einer Zeitdimension wiederholen, ähnlich wie Kristalle wie Diamant und Quarz Muster von Teilchen sind, die sich im Raum wiederholen.
Während die ursprüngliche Theorie Muster beschrieb, die sich „permanent“ wiederholten, wurden „vorübergehende“ Versionen von verschiedenen Physikerteams experimentell erreicht und auf unterschiedliche Weise beobachtet. In diesen Versionen können Schwingungsmuster gemessen werden, die sich von etwaigen externen Rhythmen unterscheiden, die dem Kristall auferlegt werden.
Dieser neuartige Zeitkristall wurde aus einem Gas aus Rubidiumatomen bei Raumtemperatur in einem Glasbehälter hergestellt.
Ein Team von Physikern unter der Leitung von Xiaoling Wu, Zhuqing Wang und Fan Yang von der Tsinghua-Universität in China nutzte Laserlicht, um das Atom in Rydberg-Zustände anzuregen. In diesem Fall wird dem Atom Energie zugeführt, sodass sich die äußeren Elektronen in größere Umlaufbahnen um den Kern drehen und das Atom im Wesentlichen auf das Hundertfache seines normalen Radius aufbläht.
Das ist aus unserer Sicht immer noch sehr klein, hat aber einen interessanten Effekt auf die Art und Weise, wie die Atome interagieren, wenn sie alle in einer Glasbox zusammengepackt sind.
„Wenn die Atome in unserem Glasgefäß in solchen Rydberg-Zuständen präpariert werden und ihr Durchmesser enorm wird, werden auch die Kräfte zwischen diesen Atomen sehr groß.“ Physiker Thomas Paul erklärt Von der Technischen Universität Wien.
„Das wiederum verändert die Art und Weise, wie diese Atome mit dem Laser interagieren. Wenn man das Laserlicht so wählt, dass es in jedem Atom gleichzeitig zwei verschiedene Rydberg-Zustände anregen kann, entsteht eine Rückkopplungsschleife, die spontane Reaktionen hervorruft.“ Oszillationen zwischen den beiden Atomzuständen.“ Dies wiederum führt auch zur Absorption von oszillierendem Licht.“
Als das Team Rubidiumgas mit Laserlicht anregte, geschah etwas Interessantes. Obwohl der Laser eine konstante Intensität hatte, sahen sie bei der Messung des Lichts am anderen Ende des Behälters Anzeichen einer Atomoszillation, da sich Atome zwischen einem angeregten und einem weniger angeregten Zustand hin und her bewegten.
Diese Schwingungen sind organisch entstanden und erfüllen somit die Definition eines Zeitkristalls.
„Es ist eigentlich eine ständige Erfahrung, bei der dem System kein bestimmter Rhythmus vorgegeben wird.“ sagt Pohl„Die Wechselwirkungen zwischen Licht und Atomen sind immer gleich, da der Laserstrahl eine konstante Intensität hat. Doch überraschenderweise beginnt die Intensität, die das andere Ende der Glaszelle erreicht, in sehr regelmäßigen Mustern zu schwanken.“
Dieses System hat potenzielle Anwendungen in der Technologie, die regelmäßige, sich selbst aufrechterhaltende Schwingungen erfordert. Beispielsweise könnte die Messtechnik von einem solchen System profitieren. Quanteninformationsverarbeitung kann auch in der Kommunikation eingesetzt werden. Basierend auf Rydberg-Atomen Es wird ein leistungsstarkes Werkzeug für Computeranwendungen sein.
„Wir haben hier ein neues System geschaffen, das eine leistungsstarke Plattform zur Vertiefung unseres Verständnisses des Phänomens der Zeitkristallisation bietet und der ursprünglichen Idee von Frank Wilczek sehr nahe kommt.“ sagt Pohl.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik.
