Новый эксперимент с атомами Ридберга: создан темпоральный кристалл из атомов рубидия

Облучая атомы рубидия лазерами, физики возбудили их до «пухлого» состояния Ридберга в эксперименте, который привел к созданию экзотического состояния материи, известного как временной кристалл .

Это открывает новые возможности для изучения свойств временных кристаллов, а также таких явлений, как квантовые флуктуации, корреляция и синхронизация, что важно для разработки квантовых компьютеров.

Впервые описанные американским теоретическим физиком Фрэнком Вильчеком в 2012 году , временные кристаллы представляют собой движения частиц, повторяющиеся во времени, аналогично тому, как кристаллы, такие как алмаз и кварц, являются повторяющимися структурами частиц в пространстве.

Хотя изначальная теория описывала паттерны, повторяющиеся бесконечно, "временные" версии были успешно реализованы экспериментально и наблюдались различными группами физиков. В ходе этих экспериментов были зафиксированы колебательные паттерны, отличающиеся от внешних ритмов, прилагаемых к кристаллу. Эти наблюдения подтвердили существование самоорганизующихся временных структур в кристаллических системах, что открыло новые перспективы для изучения динамики конденсированных сред и квантовых явлений.

Новый тип временного кристалла был создан из газообразного рубидия при комнатной температуре, помещенного в стеклянную камеру. Команда физиков под руководством Сяолинга Ву, Чжуцина Вана и Фан Яна из Университета Цинхуа (Китай) использовала лазерное излучение для возбуждения атомов до состояний Ридберга. В этих состояниях внешние электроны атомов описывают расширенные орбиты вокруг ядра, увеличивая размер атома в сотни раз.

Хотя атомы остаются микроскопическими, такое расширение существенно влияет на их взаимодействие в ограниченном пространстве стеклянной камеры. В состояниях Ридберга межатомные силы значительно усиливаются, что, в свою очередь, модифицирует их взаимодействие с лазерным излучением. При точной настройке лазера на одновременное возбуждение двух различных состояний Ридберга в каждом атоме формируется петля обратной связи, вызывающая спонтанные осцилляции между этими атомными состояниями и, как следствие, колебания в поглощении света.

В ходе эксперимента, несмотря на постоянную интенсивность лазерного излучения, измерения на противоположной стороне камеры выявили признаки атомных осцилляций между возбужденным и менее возбужденным состояниями. Эти самопроизвольно возникшие колебания соответствуют определению временного кристалла.

Уникальность эксперимента заключается в его статическом характере: система не подвергается внешнему периодическому воздействию. Взаимодействия между светом и атомами остаются неизменными, интенсивность лазерного луча постоянна. Тем не менее, на выходе из стеклянной камеры наблюдаются строго периодические колебания интенсивности света, что указывает на формирование временной кристаллической структуры.

Это имеет потенциальные применения в технологиях, требующих высоко регулярных, самоподдерживающихся колебаний. Например, метрология – наука о измерениях – может использовать такую систему. А квантовая обработка информации на основе атомов Ридберга может стать мощным инструментом для вычислительных приложений.

Был создан новый эксперимент, который предоставляет мощную платформу для углубления понимания явления временных кристаллов, приближая его к оригинальной идее Фрэнка Вильчека.

Исследование опубликовано в Nature Physics .