Экспериментальное наблюдение диссипативного временного кристалла в ридберговском газе при комнатной температуре
Исследователи из Университета Цинхуа недавно наблюдали диссипативный кристалл времени в сильно взаимодействующем ридберговском газе при комнатной температуре. Их статья, опубликованная в Nature Physics, открывает новые возможности для изучения этого захватывающего состояния материи. Диссипативный кристалл времени — это фаза материи, характеризующаяся периодическими колебаниями во времени, в то время как система рассеивает энергию. В отличие от обычных кристаллов времени, которые также могут возникать в закрытых системах без потери энергии, диссипативные кристаллы времени наблюдаются в открытых системах, в которых энергия свободно втекает и вытекает. Ключевое отличие эксперимента исследователей от подобных экспериментов, проведенных в прошлом, заключается в том, что они настроили поляризацию связывающего света, что привело |e⟩ к различным ридберговским состояниям. Взаимодействия и конкуренция между несколькими ридберговскими компонентами в установке команды значительно обогащают фазовую диаграмму их системы, позволяя возникнуть диссипативной фазе временного кристалла.
a. Фотография экспериментальной установки команды с освещенной паровой ячейкой при комнатной температуре без охлаждения или нагрева.
b. Схема экспериментальной установки, где зондирующий луч перекрывается с встречным связывающим лучом в паровой ячейке 85Rb при комнатной температуре и устанавливает EIT.
c. Типичный осциллирующий сигнал временного кристалла.
Автор: д-р Сяолин Ву
«Результаты, которых мы достигли, были совершенно незапланированными», — рассказал доктор Ли Ю, научный руководитель исследования. «Во время пандемии коронавируса три года назад ведущий автор доктор Сяолин У, тогда еще аспирант, был полон решимости продолжить работу в лаборатории, когда туда допускали только нескольких студентов. В то время нашей главной целью было провести эксперимент с возбуждением Ридберга в сверххолодном атомарном газе».
Работая над докторской диссертацией в Университете Цинхуа, доктор Сяолин экспериментально наблюдал шумоподобные колебания при передаче зондирующего света, проходящего через термическую паровую ячейку, используемую для привязки лазеров к атомным переходам. В то время ни он, ни его коллеги не понимали, что это за удивительное явление, поскольку оно еще не было предсказано или теоретически описано.
«Сяолин У вместе с Чжуцином Ваном и доктором Фань Яном (три соавтора нашей статьи), к которым присоединился доктор Сянлян Ли из Пекинской академии квантовой информатики, начали свои захватывающие исследования физики, связанной с этим недавно обнаруженным явлением, как с экспериментальной, так и с теоретической стороны, что в конечном итоге привело к представленной работе», — сказал Ю. «Инстинкт и настойчивость Сяолин, а также сотрудничество всех людей в нашей команде имеют решающее значение для этого неожиданного открытия, о котором с тех пор сообщили многие группы».
К исследователям также присоединился доктор Томас Пол, который внес вклад в теоретические аспекты исследования. Пол работал в тесном сотрудничестве с Янгом, который в то время работал с ним в качестве постдокторанта.
«Было проведено несколько более ранних экспериментов по изучению взаимодействия лазера с атомарными ридберговскими газами, и ни один из них не сообщал о типе колебательного поведения, наблюдаемого в текущем эксперименте», — сказал Поль. «Таким образом, экспериментальное наблюдение было замечательной головоломкой, которую нужно было решить, чтобы понять ее происхождение и убедиться, что колебания действительно возникают исключительно из-за взаимодействия атомов и света».
Кристалл времени по сути является состоянием материи, в котором спонтанно возникают временные колебания. Эти наблюдения несколько напоминают наблюдения в обычных кристаллах, в которых взаимные взаимодействия между атомами заставляют их спонтанно располагаться в соответствии с определенными пространственными узорами.
«Существует два типа кристаллов времени: дискретный кристалл времени, который формируется под действием периодической движущей силы, и непрерывный кристалл времени, который возникает спонтанно при иных независимых от времени условиях», — пояснил Ян. «Последний наблюдался в нашей работе».
Электромагнитно-индуцированная прозрачность (ЭИП) — это квантовое оптическое явление, при котором из-за деструктивной интерференции два сильно связанных квантовых состояния создают окно прозрачности для зондирующего света в почти резонансное третье состояние. Примечательно, что формы линий передачи света через это окно изменяются в присутствии сильных диполь-дипольных взаимодействий между ридберговскими атомами.
«В наших экспериментах мы приняли конфигурацию лестницы из трех состояний, где верхнее состояние Ридберга связано с промежуточным возбужденным состоянием, которое исследуется из основного состояния», — объяснил Ю. «Такая простая установка позволяет изучать неравновесную физику для множества тем, таких как динамика эпидемий, лесные пожары и самоорганизованная критичность в холодном или горячем атомном газе.
«Наши эксперименты проводятся в паровой ячейке с 85 атомами Rb, с зондирующим светом 780 нм, близким к резонансному переходу |g⟩ = |5S 1/2 ⟩ в |e⟩ = |5P 3/2 ⟩, который далее связан с помощью связующего света 480 нм с ридберговскими многообразиями |nD J ⟩».
В своих экспериментах Ю, Поль и их коллеги освещали газ атомов при комнатной температуре с помощью лазерного света. Приложенные лазерные поля возбуждали некоторые атомы в газе в так называемые ридберговские состояния, что усиливало взаимодействие между атомами.
Установление дальнего временного порядка.
а. Динамика однократного гашения временного кристалла.
b. Преобразование Фурье колебаний для различных временных окон.
c. Пиковая частота колебаний постепенно стабилизируется до постоянной с течением времени.
d. Автокорреляционная функция (АКФ) временных кристаллов для различных временных окон.
Автор: д-р Сяолин Ву
Результирующее сильное взаимодействие влияет на процесс возбуждения атомов в ридберговское состояние, что в свою очередь влияет на атомные взаимодействия, создавая «добродетельный цикл», отмеченный все более сильными взаимодействиями между атомами. Интересно, что исследователи обнаружили, что при некоторых определенных условиях эта петля обратной связи может приводить к спонтанным колебаниям числа ридберговских атомов.
«Оказалось, что нужны особые условия, при которых приложенное лазерное поле возбуждало бы два различных типа ридберговских атомов, так что их взаимное взаимодействие могло бы вызывать колебания, которые можно было бы наблюдать непосредственно как колебания интенсивности лазерного света, прошедшего через атомарный газ», — сказал Поль. «Однако, как только эти условия выполнены, полученный кристалл непрерывного времени становится на удивление прочным и демонстрирует самоподдерживающиеся колебания в течение практически неограниченного времени».
Ключевое отличие эксперимента исследователей от подобных экспериментов, проведенных в прошлом, заключается в том, что они настроили поляризацию связывающего света, что привело |e⟩ к различным ридберговским состояниям. Взаимодействия и конкуренция между несколькими ридберговскими компонентами в установке команды значительно обогащают фазовую диаграмму их системы, позволяя возникнуть диссипативной фазе временного кристалла.
«Недавно признаки диссипативного временного кристалла были обнаружены в двух других системах, где он возникает из-за связи атомов с одной модой фотонов в оптическом резонаторе или из-за связи одного электронного спина с ядерными спинами в твердотельном материале», - сказал Ян.
«В нашей работе сообщается о наблюдении непрерывного кристалла времени, который возникает из взаимодействий между частицами в системе многих тел. В этом смысле открытие предоставляет многообещающую платформу для углубления нашего понимания феномена кристалла времени, который приближается к первоначальной идее кристалла времени, предложенной Фрэнком Вильчеком в 2012 году».
Недавнее исследование этой группы учёных проливает свет на условия, необходимые для наблюдения поведения временного кристалла в газах атомов Ридберга. Их работа уже вдохновила на дополнительные эксперименты в их лабораториях, некоторые из которых были направлены на контроль свойств самоподдерживающихся колебаний, которые они наблюдали.
«Таким образом, фазу временного кристалла можно использовать для повышения производительности высокоточных датчиков электрического поля, для которых гигантские атомы Ридберга уже нашли технологическое применение», — пояснил Поль.
Вы, Поль и их коллеги представили весьма перспективную платформу для изучения диссипативных временных кристаллов. Их работа уже проложила путь для экспериментов в других лабораториях по всему миру, направленных на дальнейшее изучение диссипативного временного кристалла и управление свойствами колебаний.
В будущем эти работы могли бы способствовать разработке новых технологических устройств. Например, они могли бы позволить инженерам разрабатывать более эффективные и высокоточные датчики на основе ридберговских атомов.
«В ближайшем будущем мы сосредоточимся на выявлении различий между предельным циклом и непрерывной трансляцией времени, нарушающей симметрию временного кристалла», — сказал Ю. «Последний из которых, или TC, часто относят к макроскопической квантовой системе с жесткостью и многочастичными запутываниями».
В своих следующих исследованиях Ю и его коллеги надеются напрямую наблюдать характерные особенности, связанные с макроскопическими квантовыми корреляциями. Их усилия могут собрать новые доказательства, подтверждающие, что эти особенности действительно выходят за рамки описания теории среднего поля, использованного в их статье.
Вы и его коллеги также планируете исследовать возможные применения обнаруженного ими временного кристалла. Например, они попытаются определить, можно ли его использовать для разработки более совершенных устройств для измерения электромагнитного поля и метрологии.
«В будущем будет важно лучше понять детальные микроскопические процессы, которые приводят к спонтанным колебаниям в газе атомов при комнатной температуре», — добавил Поль. «Наши выводы также могут помочь определить основные механизмы, которые обычно требуются для возникновения непрерывных во времени кристаллов в системах многих взаимодействующих частиц».
«Особенно важно будет понять значение и роль квантовой запутанности между частицами, которая может стать уникально возможной в нашей системе».
