Naučnici stvorili „vremenski kristal“ pomoću džinovskih atoma

Više od decenije kasnije, istraživači sa Univerziteta Csinghua, u saradnji sa teoretičarima sa Tehnološkog univerziteta u Beču (TU Wien), posmatrali su kako se para rubidijuma usklađuje u takav ritam i objavili rezultate svog rada. Profesor Tomas Pol iz Instituta za teorijsku fiziku pri TU Wien, jedan od koautora rada, kaže da je ovaj rezultat „vrlo blizu ostvarenju Vilčekove vizije“.

Šta razlikuje vremenske kristale?

Vremenski kristal se ne ponavlja u prostoru, već u vremenu - narušavajući ujednačenost proticanja vremena na isti način kao što pahulja narušava jednoličnost zaleđenog jezera.

Ova postojanost ritma, poznata kao spontano narušavanje simetrije, znači da obrazac opstaje čak i bez spoljašnje sile koja ga pokreće.

Od prvih eksperimenata sa jonskim zamkama 2017. do kontinuiranih verzija u optičkim rezonatorima 2022, laboratorijski dokazi za vremenske kristale brzo su se gomilali. Međutim, svi su imali svoja ograničenja - ekstremno niske temperature, kratkotrajan efekat - što je otežavalo dalja istraživanja.

Novi sistem sa rubidijumom funkcioniše na sobnoj temperaturi i traje stotinama milisekundi - dovoljno da se isprati na hiljade oscilacija.

Džinovski atomi u središtu eksperimenta

U srcu eksperimenta nalaze se tzv. Rydbergovi atomi – rubidijumovi atomi čiji je spoljašnji elektron toliko podignut da se ceo atom „naduje“ na oko mikron (četiri stotinke ljudske dlake).

Ovi „prenaduvani“ atomi imaju izuzetno jaka električna polja i međusobno deluju i na velikim rastojanjima, što ih povezuje u čvrsto međusobno povezan sistem.

Zbog zatvorenog sistema (zapečaćena ćelija sa parom), nema značajnog gubitka atoma – izbegava se isparavanje karakteristično za ultrahladne oblake.

Naučnici su svaki atom stimulisali pomoću dva lasera, podešena tako da uzbude dva različita Rydbergova nivoa istovremeno. Time se stvorilo energetsko „nadmudrivanje“ - jedan nivo se jačao nauštrb drugog, što je dovelo do ritmične oscilacije, vidljive kao promena u prenesenom svetlu.

Kao grupa ljudi koja počne da tapše dok ne uhvati zajednički ritam, atomi su se uskladili u jedinstven puls. Taj ritam je ostao fazno koherentan tokom najmanje 80 ciklusa – najduže koliko su detektori mogli da prate.

Vremenski kristali i laserska svetlost

Zanimljivo je da se ni intenzitet ni frekvencija lasera nisu menjali, a ipak je svetlosni signal oscilovao u pravilnim vremenskim intervalima. Ta samorganizacija je zaštitni znak kontinuiranog vremenskog kristala.

Fourierova analiza pokazala je oštre vrhove u spektru, razmaknute tačno za osnovnu frekvenciju oscilacije. Na početku svakog merenja ti vrhovi su lutali, a zatim se stabilizovali, označavajući trenutak kada je kristal ušao u dugoročni vremenski red.

Čak i kada je laserski snop bio namerno zamućen nasumičnim šumom, kristal je ignorisao slabije smetnje. Tek kod vrlo jakih smetnji kontrast oscilacije je opao, ali osnovna frekvencija je ostala postojana sve dok signal nije potpuno nestao.

Zašto su višedeoni sistemi važni?

Fizičari su znali da Rydbergov atom na jednom energetskom nivou uz laser obično završava u stabilnom stanju ili između dve stabilne tačke. Dodavanje drugog nivoa menja dinamiku.

Pol i kolege koristili su srednjepoljne jednačine koje uključuju dugodosežne van der Waalsove sile između džinovskih atoma. Proračuni pokazuju da, čim oba nivoa prime dovoljno laserske snage, sistem prolazi kroz tzv. Hopfovu bifurkaciju – prelazi iz stabilnih tačaka u oscilatorno ponašanje (limit-ciklus). Eksperiment potvrđuje upravo taj dijagram faza.

To potvrđuje ključnu tezu istraživanja vremenskih kristala: kolektivne interakcije mnogih čestica omogućavaju vremensko ponašanje koje nije moguće sa samo jednom.

Buduće primene i pitanja

Zahvaljujući činjenici da rubidijumska para funkcioniše na sobnoj temperaturi, moguće je čitav sistem uklopiti u mikročipove, pored talasovoda ili mikrotalasnih kola. To otvara put ka kompaktnim senzorima koji mogu detektovati oscilacije vremenskog kristala u realnom vremenu.

Rydbergove pare se već koriste za ultraosetljivo detektovanje radio-talasa, a stabilne oscilacije niske fazne buke mogle bi da posluže za regeneraciju takta u signalima, preciznu spektroskopiju ili čak za detekciju gravitacionih talasa.

Na teorijskom nivou, ovo je nova platforma za istraživanje faznih dijagrama koji uključuju stacionarna, bistabilna i vremenski kristalna stanja.

Dalji eksperimenti mogli bi da mapiraju kako se koja faza ponaša pod šumom ili pod periodičnim pobudama – i tako testiraju teorije koje predviđaju da se diskretni vremenski kristali pojavljuju samo pod pulsnom stimulacijom.

Širenje ove metode u dve ili tri dimenzije moglo bi da pokaže da li prostorna geometrija utiče na vremenski red – pitanje koje do sada gotovo nije bilo ispitano.

Otvorena pitanja i potencijalne primene

Vremenski kristal u ćeliji sa parom predstavlja i prirodnu laboratoriju za proučavanje neravnotežne termodinamike – kako sistemi razmenjuju energiju i entropiju dok održavaju čvrst vremenski obrazac.

Zaključci iz ovih istraživanja mogli bi da osvetle ritmička ponašanja u hemijskim reakcijama, biološkim satovima, pa čak i ekonomskim ciklusima.

Inženjeri koji razvijaju kvantne mreže istražuju da li bi faze vremenskih kristala mogle da usklađuju udaljene čvorove pomoću zajedničkih fotona – smanjujući potrebu za kompleksnim metodama kvantnog uplitanja.