Rydberg 원자는 핵에서 멀리 떨어진 전자를 포함합니다. 이미지 출처: 비엔나 공과대학교

연구자들은 원자의 직경이 정상 직경보다 100배 더 큰 매우 이상한 물질 상태를 만드는 데 성공했습니다.

2012년 노벨상 수상자 프랭크 윌첵(Frank Wilczek)이 제안한 시간 결정은 이제 오스트리아 비엔나 공과대학의 이론적 지원을 받아 중국 칭화대학교에서 리드버그 원자와 레이저 광을 사용하여 성공적으로 만들어졌습니다. 이 새로운 물질 상태는 전통적인 결정처럼 공간에서 복제되지 않지만, 시간이 지나면 외부 자극 없이 자발적인 주기적인 리듬을 나타내는데, 이는 자발적 대칭 파괴로 알려진 현상입니다.

결정은 공간에서 규칙적인 간격으로 반복되는 원자 배열입니다. 모든 지점에서 결정은 완전히 동일하게 보입니다. 2012년에 노벨상 수상자인 프랭크 윌첵(Frank Wilczek)은 다음과 같은 질문을 제기했습니다. 공간이 아닌 시간 속에서 반복되는 물체인 타임 크리스탈도 있을 수 있을까요? 시스템에 특정 리듬이 부여되지 않고 입자 간의 상호 작용이 시간과 완전히 독립적인 경우에도 주기적인 리듬이 발생할 수 있습니까?

수년 동안 Frank Wilczek의 아이디어는 많은 논란을 불러일으켰습니다. 일부는 원칙적으로 타임 크리스탈이 불가능하다고 생각한 반면, 다른 일부는 허점을 찾아 특정 특수 조건에서 타임 크리스탈을 얻으려고 노력했습니다. 이제 특히 놀라운 유형의 타임 크리스탈이 오스트리아 비엔나 공과 대학의 지원을 받아 중국 칭화 대학교에서 성공적으로 제작되었습니다. 연구팀은 레이저 광선과 매우 특별한 유형의 원자인 리드버그(Rydberg) 원자를 사용했습니다. 이 원자는 직경이 정상보다 수백 배 더 큽니다. 그 결과는 현재 저널에 게재되었습니다. 자연 물리학.

자동 대칭 파괴

시계의 똑딱거리는 소리도 주기적인 시간 이동의 한 예입니다. 그러나 이러한 현상은 저절로 발생하지 않습니다. 누군가가 시계를 감고 특정 시간에 작동을 시작한 것이 분명합니다. 이 시작 시간은 비트의 타이밍을 결정합니다. 시간의 결정화와는 다릅니다. Wilczek의 생각에 따르면, 서로 다른 시점 사이에 물리적인 차이가 없더라도 주기성은 자발적으로 발생해야 합니다.

“클릭 빈도는 시스템의 물리적 특성에 의해 미리 결정되지만 클릭이 발생하는 시간은 완전히 무작위입니다. 이는 자발적인 대칭 파괴로 알려져 있습니다.”라고 비엔나 대학교 이론 물리학 연구소의 Thomas Pohl 교수는 설명합니다. 기술.

시간에 따른 주기 신호

지속적인 빛 입력을 기반으로 하는 정적 시스템은 시간에 따른 주기 신호를 생성합니다. 저작권: 비엔나 공과대학교

토마스 폴(Thomas Paul)은 현재 중국 칭화대학교에서 시간 결정체를 발견하게 된 연구 작업의 이론적 부분을 담당했습니다. 루비듐 원자 가스로 채워진 유리 용기에 레이저 빛을 조사한 것입니다. 용기의 다른 쪽 끝에 도달하는 광 신호의 강도를 측정했습니다.

Thomas Paul은 “이것은 실제로 시스템에 특정 리듬이 적용되지 않는 지속적인 실험입니다. 빛과 원자 사이의 상호 작용은 항상 동일하며 레이저 빔은 일정한 강도를 갖습니다.”라고 말했습니다. 그것은 유리 세포의 반대쪽 끝에 도달합니다.” “그것은 매우 규칙적인 패턴으로 진동하기 시작합니다.”

거대 원자

실험의 핵심은 특별한 방법으로 원자를 준비하는 것이었습니다. 즉, 전자는 다음과 같이 준비되었습니다. 옥수수 원자는 얼마나 많은 에너지를 가지고 있는지에 따라 다양한 경로로 핵 주위를 공전할 수 있습니다. 원자의 가장 바깥쪽 전자에 에너지가 추가되면 원자핵과 원자핵 사이의 거리가 매우 커질 수 있습니다. 극단적인 경우에는 핵과 핵 사이의 거리가 정상보다 수백 배 더 커질 수 있습니다. 이러한 방식으로 거대한 전자 껍질을 가진 원자, 소위 Rydberg 원자가 생성됩니다.

Thomas Paul은 “유리병 안의 원자가 그러한 리드베리 상태로 준비되고 직경이 커지면 이들 원자 사이의 힘도 매우 커집니다.”라고 설명합니다. “이것은 차례로 레이저와 상호 작용하는 방식을 변경합니다. 각 원자에서 두 개의 서로 다른 Rydberg 상태를 동시에 자극할 수 있는 방식으로 레이저 광을 선택하면 자발적인 진동을 유발하는 피드백 루프가 생성됩니다. 두 원자 상태 사이에서 이것은 또한 진동하는 빛을 흡수하게 만듭니다. 거대한 원자들은 그 자체로 규칙적인 리듬으로 흔들리고, 이 리듬은 유리 용기 끝에 도달하는 빛의 강도의 리듬으로 해석됩니다.

Thomas Paul은 “우리는 Frank Wilczek의 원래 아이디어에 매우 가까운 방식으로 시간 결정 현상에 대한 이해를 심화하기 위한 강력한 플랫폼을 제공하는 새로운 시스템을 만들었습니다.”라고 말합니다. “예를 들어 정확하고 자체 유지되는 진동은 센서에 사용될 수 있습니다. Rydberg 상태를 갖는 거대 원자는 이미 다른 맥락에서 그러한 기술에 성공적으로 사용되었습니다.”

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참조: Xiaoling Wu, Chuqing Wang, Fan Yang, Ruochen Gao, Zhao Liang, Meng Khun Te, Xiangliang Li, Thomas Paul 및 Li Yu의 “강하게 상호작용하는 Rydberg 가스의 소산 시간 결정화”, 2024년 7월 2일, 자연 물리학.
DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9

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