Kristal yang mampu membengkokkan waktu

Atom Rydberg mengandung elektron yang jauh dari inti. Kredit gambar: Universitas Teknologi Wina

Para peneliti telah berhasil menciptakan keadaan materi yang sangat aneh, dimana diameter atomnya seratus kali lebih besar dari diameter normalnya.

Kristal waktu, yang diusulkan oleh peraih Nobel Frank Wilczek pada tahun 2012, kini telah berhasil dibuat menggunakan atom Rydberg dan sinar laser di Universitas Tsinghua di Tiongkok, dengan dukungan teoretis dari Universitas Teknologi Wina di Austria. Keadaan materi baru ini tidak bereplikasi di ruang angkasa seperti kristal tradisional, namun dalam waktu, menunjukkan ritme periodik spontan tanpa stimulus eksternal, sebuah fenomena yang dikenal sebagai pemutusan simetri spontan.

Kristal adalah susunan atom yang berulang dalam ruang, pada interval yang teratur: di setiap titik, kristal terlihat persis sama. Pada tahun 2012, peraih Nobel Frank Wilczek mengajukan pertanyaan: Mungkinkah ada kristal waktu—sebuah benda yang berulang bukan di ruang angkasa melainkan dalam waktu? Mungkinkah ritme periodik muncul, meskipun tidak ada ritme spesifik yang diterapkan pada sistem dan interaksi antar partikel sepenuhnya tidak bergantung pada waktu?

Selama bertahun-tahun, ide Frank Wilczek menimbulkan banyak kontroversi. Beberapa menganggap kristal waktu pada prinsipnya mustahil, sementara yang lain mencoba mencari celah dan mencapai kristal waktu dalam kondisi khusus tertentu. Kini, jenis kristal waktu yang sangat menakjubkan telah berhasil dibuat di Universitas Tsinghua di Tiongkok, dengan dukungan dari Universitas Teknologi Wina di Austria. Tim menggunakan sinar laser dan jenis atom yang sangat khusus, atom Rydberg, dengan diameter beberapa ratus kali lebih besar dari biasanya. Hasilnya kini telah dipublikasikan di jurnal Fisika alam.

Pemutusan simetri otomatis

Detak jam juga merupakan contoh pergerakan waktu secara periodik. Namun, hal itu tidak terjadi secara spontan: seseorang pasti telah memutar jam dan menyalakannya pada waktu tertentu. Waktu mulai ini kemudian menentukan waktu ketukan. Lain halnya dengan kristalisasi waktu: menurut gagasan Wilczek, periodisitas harus muncul secara spontan, meskipun tidak ada perbedaan fisik antara titik-titik waktu yang berbeda.

“Frekuensi klik telah ditentukan sebelumnya oleh sifat fisik sistem, namun waktu terjadinya klik sepenuhnya acak; hal ini dikenal sebagai pemutusan simetri spontan,” jelas Profesor Thomas Pohl dari Institut Fisika Teoretis di Universitas Wina. Teknologi.

Sistem statis yang didasarkan pada masukan cahaya terus menerus menghasilkan sinyal periodik yang bergantung pada waktu. Hak Cipta: TU Wien

Thomas Paul bertanggung jawab atas bagian teoretis dari pekerjaan penelitian yang kini mengarah pada penemuan kristal waktu di Universitas Tsinghua di Cina: sinar laser disinari ke wadah kaca berisi gas atom rubidium. Kekuatan sinyal cahaya yang mencapai ujung wadah diukur.

“Ini sebenarnya adalah eksperimen konstan di mana tidak ada ritme tertentu yang diterapkan pada sistem,” kata Thomas Paul. “Interaksi antara cahaya dan atom selalu sama, sinar laser memiliki intensitas yang konstan yang mencapai ujung sel kaca lainnya.” “Ia mulai berosilasi dalam pola yang sangat teratur.”

Atom raksasa

Kunci percobaan ini adalah menyiapkan atom dengan cara khusus: elektron disiapkan di… Jagung Atom dapat mengorbit mengelilingi inti dengan jalur yang berbeda-beda, bergantung pada seberapa banyak energi yang dimilikinya. Jika energi ditambahkan ke elektron terluar suatu atom, jarak antara elektron tersebut dan inti atom bisa menjadi sangat jauh. Dalam kasus ekstrim, jarak antara inti dan inti bisa beberapa ratus kali lebih besar dari biasanya. Dengan cara ini, atom dengan kulit elektron raksasa tercipta – yang disebut atom Rydberg.

“Jika atom-atom dalam toples kaca kita disusun dalam keadaan Rydberg dan diameternya menjadi besar, maka gaya antar atom-atom tersebut juga menjadi sangat besar,” jelas Thomas Paul. “Hal ini pada gilirannya mengubah cara Anda berinteraksi dengan laser. Jika Anda memilih sinar laser sedemikian rupa sehingga mampu membangkitkan dua keadaan Rydberg yang berbeda di setiap atom pada saat yang sama, maka loop umpan balik akan tercipta yang menyebabkan osilasi spontan. antara dua keadaan atom. Hal ini pada gilirannya juga menyebabkan cahaya osilasi diserap “. Dengan sendirinya, atom-atom raksasa itu berjatuhan dalam ritme yang teratur, dan ritme ini diterjemahkan ke dalam ritme intensitas cahaya yang mencapai ujung wadah kaca.

“Kami telah menciptakan sistem baru di sini yang menyediakan platform yang kuat untuk memperdalam pemahaman kita tentang fenomena kristal waktu dengan cara yang sangat mirip dengan ide awal Frank Wilczek,” kata Thomas Paul. “Osilasi yang tepat dan berkelanjutan dapat digunakan untuk sensor, misalnya. Atom raksasa dengan status Rydberg telah berhasil digunakan untuk teknik serupa dalam konteks lain.”

Referensi: “Kristalisasi Waktu Disipatif dalam Gas Rydberg yang Berinteraksi Kuat” oleh Xiaoling Wu, Chuqing Wang, Fan Yang, Ruochen Gao, Zhao Liang, Meng Khun Te, Xiangliang Li, Thomas Paul dan Li Yu, 2 Juli 2024, Fisika alam.
DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9