Onderzoekers creëren een tijdkristal met behulp van gigantische atomen

Als we het over een kristal hebben, bedoelen we doorgaans een vaste stof waarvan de structuur een patroon vertegenwoordigt dat zich in de ruimte herhaalt. Ze zijn bijna overal in onze omgeving te vinden; IJs, tafelzout, suikers en veel mineralen vallen bijvoorbeeld in deze categorie. Op microscopisch niveau bestaat het uit een netwerk van atomen die volgens zeer precieze regels in elkaar passen, en deze netwerken zijn min of meer opgesloten in dezelfde positie; Als de structuur verandert, moet dit het gevolg zijn van een externe kracht.

Maar in 2012 kwam natuurkundige en wiskundige Frank Wilczek met een theorie die op het eerste gezicht vergezocht was. Hij veronderstelde dat dat ook zou kunnen Tijdkristallen waarvan de structuur zich niet alleen in de ruimte maar ook in de tijd herhaalt, zonder dat enige externe kracht er een specifiek ritme aan oplegt.

Concept in uitvoering

Ondanks de goede reputatie die deze vooraanstaande onderzoeker genoot, werd hij gekroond Nobelprijs 2004 Voor zijn onderzoek naar de interactie van atomen, Het idee werd door een groot deel van de academische wereld als tamelijk abnormaal beschouwd. De meeste natuurkundigen zagen dit als een flagrante schending van de wetten van de natuurkunde, vooral de tweede wet van de thermodynamica, die impliceert dat een systeem in evenwicht onder geen enkele omstandigheid voor altijd kan bewegen zonder de toevoer van energie.

Maar het idee intrigeerde nog steeds enkele gedurfde wetenschappers die besloten om dit experiment nog een stap verder te brengen. Hun doel: Het concept verzoenen met theoretische modellen. Deze aanpak begon interessante resultaten op te leveren in 2016, toen verschillende Amerikaanse teams nieuwe experimentele methoden voorstelden op basis van de kwantummechanica. Vanaf hier begon de definitie van het tijdkristal zich te ontwikkelen: we zijn niet langer op zoek naar materialen waarvan de atomen spontaan bewegen, maar we zoeken eerder naar regelmaat in het gedrag van de moleculen waaruit ze bestaan.

Deze nieuwe opvatting van het probleem opende de weg naar de eerste tastbare vooruitgang. In 2017 hebben teams van Berkeley, Harvard en MIT afzonderlijk de materiële blootstelling gemonitord. Periodieke oscillaties met een ritme dat totaal verschilt van dat van een externe krachtbron. Het lijkt een beetje op een wip die uit zichzelf “beslist” om met een heel specifieke snelheid te bewegen, hoe hard je er ook op duwt.

Dit is het eerste concrete bewijs dat sommige systemen een soort intrinsieke tijdelijkheid vertonen, wat een grote stap voorwaarts is. Aan de andere kant lagen deze verschijnselen nog steeds relatief ver af van Wilczeks oorspronkelijke idee, aangezien er een externe bron van periodieke energie nodig was om dit reguliere fenomeen tot stand te brengen.

Een tijdkristal gemaakt van gigantische atomen

Dit is waar onderzoekers van de universiteiten van Wenen, Oostenrijk, en Tsinghua, China binnenkomen. Samen zijn de twee teams hierin geslaagd Het creëren van een tijdkristal ligt veel dichter bij het door Wilczek voorgestelde concept.

Om te begrijpen wat deze werken anders maakt, moeten we een eenvoudige omweg maken om naar de structuur van het materiaal te kijken. Elk atoom bevat een bepaald aantal elektronen die in goed gedefinieerde banen rond de proton- en neutronenkernen zijn verdeeld. De diameter van deze baan hangt af van de excitatie van het elektron; Als we er energie naar overbrengen, kan het in een veel bredere baan terechtkomen. Als we deze excitatie tot het uiterste doorvoeren, zodat het elektron zo ver mogelijk van de kern van het atoom beweegt, komt het in een toestand terecht die ‘ Door Rydberg »; We krijgen een ‘gigantisch atoom’ dat meerdere malen groter kan zijn dan zijn niet-opgewonden versie.

Deze objecten worden genoemd Rydberg-atomen, vooral interessant voor natuurkundigen. Hun interacties kunnen zelfs tot een fenomeen leidenwirwar Quantum, een mysterieuze toestand waarin twee deeltjes onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn, ongeacht de afstand.

Deze verstrengeling is echter niet het enige vreemde fenomeen dat optreedt wanneer gigantische atomen op hun aangrenzende bloembedden stappen. De auteurs van dit onderzoek hebben aangetoond dat als rubidiumatomen in de Rydberg-configuratie worden blootgesteld aan een laserstraal, Ze beginnen te oscilleren op een manier die sterk doet denken aan de tijdkristallen van Wilczek.

” Als de atomen in onze container bereid zijn Rydberg-atomen te vormen en hun diameter enorm wordt, dan worden de krachten tussen deze atomen ook erg belangrijk. », zegt Thomas Paul, co-auteur van het onderzoek. ” Dit verandert de manier waarop ze omgaan met de laser volledig. Als we de straal zo kiezen dat deze tegelijkertijd twee verschillende Rydberg-toestanden op hetzelfde atoom kan opwekken, krijgen we een feedbacklus die spontane oscillaties tussen de twee atomaire toestanden veroorzaakt. »

Wat het verschil maakt met eerder werk, is dat de onderzoekers deze keer helemaal niet probeerden een specifiek ritme aan hun systeem op te leggen. “ De laserstraal heeft altijd dezelfde intensiteit, waardoor de interacties tussen licht en atomen altijd hetzelfde zijn. Maar verrassend genoeg merken we dat het signaal aan de uitgang in zeer regelmatige patronen oscilleert “, hij legt uit.

Dit verschil lijkt misschien triviaal, maar is eigenlijk heel belangrijk: het betekent dat de onderzoekers een systeem hebben geproduceerd dat conceptueel heel dicht bij het oorspronkelijke idee van Frank Wilczek ligt.

Het begin van revolutionaire technologie?

Dit is heel goed nieuws. Want zodra de basismechanismen beter worden begrepen, kunnen deze tijdkristallen de kern vormen van enorme innovaties. Pohl suggereert dat ze kunnen worden gebruikt om een Een nieuwe generatie ultraprecieze sensoren.

Ondertussen hebben andere onderzoekers ook het gebruik ervan voorgesteld in… Kwantitatieve statistieken. Een van de grootste uitdagingen van deze discipline is het succesvol behouden van qubits in een staat van coherentie, dat wil zeggen in een staat van kwantumsuperpositie en verstrengeling. De natuurlijke neiging van Rydberg-atomen naar laatstgenoemde zou dus van waarde kunnen zijn.

Bovendien is dit idee al onderzocht. Maar nu deze essentiële periodiciteit is gedocumenteerd, is het idee aantrekkelijker geworden. Op papier zouden we een dergelijk systeem kunnen exploiteren om deze logische eenheden met extreme precisie te synchroniseren, waardoor fouten worden verminderd en tegelijkertijd kan worden geprofiteerd van een stabielere en robuustere coherentie.

Ten slotte kunnen deze tijdkristallen ook worden gebruikt in fundamenteel onderzoek, vooral voor natuurkundigen die kwantumfenomenen bestuderen om de aard en het gedrag van materie op de kleinste schaal beter te begrijpen. Ook al staat dit werk nog in de kinderschoenen, het zal interessant zijn om de mogelijke resultaten ervan te volgen.

De tekst van het onderzoek is beschikbaar hier.

🟣 Abonneer u op om geen enkel nieuws over Journal du Geek te missen Google Nieuws. En als je ons leuk vindt, hebben we elke ochtend een nieuwsbrief.