Physikern ist es gelungen, Atome auf das Hundertfache ihrer üblichen Größe aufzublasen und so eine erstaunliche Version exotischer Materie zu erschaffen, die zuvor für unmöglich gehalten wurde.
Die exotische Materiephase, bekannt als Zeitkristall, wurde dadurch erzeugt, dass ein Laser auf Rubidiumatome schoss, bis diese eine aufregende Form annahmen.
Damit, sagen die Forscher, haben sie einen neuen Weg zur Erforschung der Eigenschaften mysteriöser Kristalle eröffnet, die periodisch zwischen zwei scheinbar endlosen Zuständen wechseln, sich für immer bewegen und niemals Energie verlieren.
Die neue Technik, die am 2. Juli in der Fachzeitschrift Nature Physics beschrieben wurde, könnte Wissenschaftlern auch dabei helfen, bessere Quantencomputer zu bauen.
„Wir haben hier ein neues System geschaffen, das eine leistungsstarke Plattform zur Vertiefung unseres Verständnisses des Phänomens der Zeitkristallisation bietet und der ursprünglichen Idee von Frank Wilczek sehr nahe kommt“, sagte Co-Autor Thomas PaulPhysiker an der Universität Wien, Das sagte er in einer Erklärung.
Zeitkristalle wurden 2012 erstmals vom Nobelpreisträger Wilczek vorgeschlagen und sind Ansammlungen von Teilchen, die sich in der Zeit wiederholen, genau wie andere Kristalle (wie Speisesalz oder Diamanten) sich im Raum wiederholen.
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Das ist für Physiker interessant. Normalerweise gelten die Gesetze der Physik, die über den Raum symmetrisch sind und (In den meisten Fällen) Zeit und erzeugen identische Ergebnisse, unabhängig von ihrer räumlichen und zeitlichen Richtung.
Doch Kristalle brechen diese Symmetrie und ordnen sich in einer bevorzugten Raumrichtung an. Das heißt, auch wenn die Gesetze der Physik symmetrisch bleiben, führen sie zu unterschiedlichen Ergebnissen, je nachdem, in welche Richtung man auf die Kristalle einwirkt.
So wie Kristalle die Symmetrie im Raum brechen, brechen Zeitkristalle sie in der Zeit. Sie existieren bei der niedrigsten möglichen Energie, die die Quantenmechanik zulässt, und oszillieren zwischen zwei Zuständen, ohne sich zu verlangsamen.
Diese bemerkenswerten Eigenschaften haben zu vielen Behauptungen geführt, dass Zeitkristalle Perpetuum Mobile seien, die gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstoßen, aber Das ist nicht der FallDie von Lasern angetriebenen Kristalle können nicht einfach Energie verlieren oder gewinnen – das Laserlicht, das auf sie trifft, bewirkt lediglich, dass sie den zweistufigen Mischvorgang wiederholen. Das bedeutet, dass das zweite Gesetz für sie nicht gilt, wie für viele Systeme, die nur eine Handvoll Atome enthalten.
Seit Wilczeks Vorschlag wurden eine Reihe von Zeitkristallen hergestellt, von denen jeder ein einzigartiges Fenster in diese seltsame Phase der Materie bietet. Um einen Zeitkristall zu bauen, verwendeten die Forscher der neuen Studie Rubidiumatome, die in sogenannte Rydberg-Zustände angeregt wurden.
Indem sie Laserlicht auf eine mit Rubidiumatomen gefüllte Glasschale richteten, pumpten Physiker das Gas mit riesigen Mengen überschüssiger Energie. Das Laserlicht regte die Elektronen im Inneren der Atome an, wodurch die Räume zwischen den Atomkernen und den äußeren Elektronenhüllen auf das Hundertfache ihrer üblichen Größe anschwollen. Dadurch geschah etwas sehr Interessantes.
„Wenn die Atome in unserem Glasgefäß in solchen Rydberg-Zuständen präpariert werden und ihr Durchmesser riesig wird, dann werden auch die Kräfte zwischen diesen Atomen sehr groß“, sagte Paul. „Das wiederum verändert die Art und Weise, wie man mit dem Laser interagiert. Wählt man das Laserlicht so, dass es in jedem Atom gleichzeitig zwei verschiedene Rydberg-Zustände anregen kann, entsteht eine Rückkopplungsschleife, die spontane Schwingungen verursacht.“ zwischen den beiden Atomzuständen. Dies führt wiederum dazu, dass das oszillierende Licht absorbiert wird.
Mit anderen Worten: Im Inneren der Glasbox erschien ein Zeitkristall.
„Es handelt sich tatsächlich um ein konstantes Experiment, bei dem dem System kein bestimmter Rhythmus aufgezwungen wird“, fügte Paul hinzu. „Die Wechselwirkungen zwischen Licht und Atomen sind immer gleich, und der Laserstrahl hat überraschenderweise eine konstante Intensität.“ das andere Ende der Glaszelle beginnt in Mustern zu schwingen.“
Nachdem es den Forschern nun gelungen ist, einen neuen Typ von Zeitkristall zu schaffen, werden sie weiter experimentieren und ihn für andere Anwendungen testen. Sie schlagen vor, dass sie zur Herstellung neuer, hochempfindlicher Sensoren verwendet werden könnten und Wissenschaftlern dabei helfen könnten, die Quantensynchronisation besser zu verstehen – das Phänomen, durch das mehrere Quantensysteme dazu gebracht werden können, in Phase zu arbeiten, was bei der Entwicklung besserer Quantencomputer helfen wird.
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