Experiment s časovými krystaly z Rydberových atomů. Kredit: Wu et al. (2024), Nature Physics.

Klasické krystaly vytvářejí atomy uspořádané v opakujících strukturách v prostoru. Nobelistu Franka Wilczekav roce 2012 napadlo, že by mohly existovat časové krystaly, objekty, které se opakují v čase. Nejdřív ho nebrali moc vážně a dokazovali, že je nelze vyrobit. Pak se v roce 2017 objevily první časové krystaly, vytvořené různými postupy. Dnes jsou časové krystaly sice stále exotické, ale současně už pevně náležejí do fyzikálního mainstreamu.

Thomas Pohl. Kredit: TU Wien.

Thomas Pohl z Technische Universität Wien (TU Wien) s týmem kolegů nedávno vytvořil velmi exotické časové krystaly, takže jde vlastně o exotiku na druhou. Použili lasery a Rydbergovy atomy, tedy vysoce excitované atomy s jedním či více elektrony o velmi vysokém hlavním kvantovém číslu (n, principal quantum number). Takové elektrony mají velkou potenciální energii a obíhají kolem jádra v mnohonásobně větší vzdálenosti. Proto jsou Rydbergovy atomy obrovské.

Logo. Kredit: TU Wien.

Systémů, které mají strukturu v čase, je spousta. Třeba kyvadlo. Časové krystaly ale musejí mít periodicitu, která vzniká samovolně. Jak vysvětluje Pohl, frekvence tikání časových krystalů je daná fyzikálními vlastnostmi systému, ale doby, kdy k tikům dochází, jsou náhodné. Projevuje se tu spontánní narušení symetrie.

Badatelé vytvořili Rydbergovy atomy z atomů rubidiového plynu. Udělali to tak, že v každém atomu excitovali dva různé Rydbergovy stavy současně. V důsledku toho došlo ke spontánním oscilacím mezi těmito stavy s nimi spojeným oscilacím absorpce světla. Vznikly časové krystaly, jejichž tikání v čase se projevovalo změnami intenzity detekovaného světla, které prošlo přes tikající Rydbergovy atomy.

Jak si pochvaluje Pohl, výsledkem jejich výzkumu je šikovná platforma, která teď může posloužit intenzivnímu výzkumu fenoménu časových krystalů. Kromě toho se nabízejí zajímavé aplikace, například v podobě senzorů. Veliké Rydbergovy atomy už byly tímto způsobem dříve využity, tak proč to nezkusit s časovými krystaly?

Video: Time crystals: A new phase of matter - and a breakthrough for quantum computing?

Literatura

TU Wien 8. 7. 2024.

Nature Physics 2. 7. 2024.