הקריסטל שיכול לכופף את הזמן

חוקרים יצרו מצב אקזוטי ביותר של חומר. לאטומים שלו קוטר גדול פי מאה מהרגיל.

גבישי זמן, שהוצעו במקור על ידי חתן פרס נובל פרנק וילצ'ק בשנת 2012, נוצרו כעת בהצלחה באמצעות אטומי Rydberg ואור לייזר באוניברסיטת Tsinghua בסין, עם תמיכה תיאורטית של TU Wien באוסטריה. מצב חומר חדש זה אינו חוזר במרחב כמו גבישים מסורתיים, אלא בזמן, מציג מקצבים תקופתיים ספונטניים ללא גירוי חיצוני, תופעה המכונה שבירת סימטריה ספונטנית.

גביש הוא סידור של אטומים שחוזר על עצמו במרחב, במרווחים קבועים: בכל נקודה, הגביש נראה בדיוק אותו הדבר. ב-2012, זוכה פרס נובל פרנק וילצ'ק העלה את השאלה: האם יכול להיות גם גביש זמן – עצם שחוזר על עצמו לא בחלל אלא בזמן? והאם יתכן שיופיע קצב תקופתי, למרות שלא נכפה קצב ספציפי על המערכת והאינטראקציה בין החלקיקים היא בלתי תלויה לחלוטין בזמן?

במשך שנים, הרעיון של פרנק וילצ'ק עורר מחלוקת רבה. חלקם חשבו שגבישי זמן בלתי אפשריים באופן עקרוני, בעוד שאחרים ניסו למצוא פרצות ולממש גבישי זמן בתנאים מיוחדים מסוימים. כעת, סוג מרהיב במיוחד של גביש זמן נוצר בהצלחה באוניברסיטת Tsinghua בסין, בתמיכת TU Wien באוסטריה. הצוות השתמש באור לייזר ובסוגים מאוד מיוחדים של אטומים, כלומר אטומי רידברג, בקוטר שגדול פי כמה מאות מהרגיל. התוצאות פורסמו כעת בכתב העת פיזיקת הטבע.

שבירת סימטריה ספונטנית

תקתוק של שעון הוא גם דוגמה לתנועה תקופתית זמנית. עם זאת, זה לא קורה מעצמו: מישהו כנראה פצע את השעון והפעיל אותו בשעה מסוימת. זמן התחלה זה קבע אז את תזמון הקרציות. זה שונה עם גביש זמן: לפי הרעיון של וילצ'ק, מחזוריות צריכה להתעורר באופן ספונטני, אם כי למעשה אין הבדל פיזי בין נקודות זמן שונות.

"תדירות הקרצייה נקבעת מראש על ידי המאפיינים הפיזיקליים של המערכת, אבל הזמנים שבהם הקרציה מתרחשת הם אקראיים לחלוטין; זה ידוע כשבירת סימטריה ספונטנית", מסביר פרופ' תומס פוהל מהמכון לפיזיקה תיאורטית ב-TU Wien.

תומס פוהל היה אחראי על החלק התיאורטי של עבודת המחקר שהובילה כעת לגילוי גביש זמן באוניברסיטת טסינגואה בסין: אור לייזר האיר לתוך מיכל זכוכית מלא בגז של אטומי רובידיום. נמדדה עוצמת אות האור שהגיע לקצה השני של המכולה.

"זהו למעשה ניסוי סטטי שבו לא כופה קצב ספציפי על המערכת", אומר תומס פוהל. "האינטראקציות בין האור לאטומים תמיד זהות, לקרן הלייזר יש עוצמה קבועה. אבל באופן מפתיע התברר שהעוצמה שמגיעה לקצה השני של תא הזכוכית מתחילה להתנודד בתבניות מאוד קבועות".

אטומים ענקיים

המפתח לניסוי היה להכין את האטומים בצורה מיוחדת: האלקטרונים של א אָטוֹם יכולים להקיף את הגרעין בנתיבים שונים, בהתאם לכמות האנרגיה שיש להם. אם מוסיפים אנרגיה לאלקטרון החיצוני ביותר של אטום, המרחק שלו מגרעין האטום יכול להיות גדול מאוד. במקרים קיצוניים, הוא יכול להיות רחוק פי כמה מאות מהגרעין מהרגיל. בדרך זו נוצרים אטומים בעלי מעטפת אלקטרונים ענקית – מה שנקרא אטומי Rydberg.

"אם האטומים במיכל הזכוכית שלנו מוכנים במצבים כאלה של רידברג והקוטר שלהם הופך לעצום, אז גם הכוחות בין האטומים האלה הופכים גדולים מאוד", מסביר תומס פוהל. "וזה משנה את הדרך שבה הם מתקשרים עם הלייזר. אם תבחרו באור לייזר בצורה כזו שהוא יכול לעורר שני מצבי רידברג שונים בכל אטום בו זמנית, אז נוצרת לולאת משוב שגורמת לתנודות ספונטניות בין שני המצבים האטומיים. זה בתורו מוביל גם לספיגת אור מתנודדת". מעצמם, האטומים הענקיים נקלעים לפעימה קבועה, והפעימה הזו מתורגמת לקצב עוצמת האור שמגיעה בקצה מיכל הזכוכית.

"יצרנו כאן מערכת חדשה המספקת פלטפורמה רבת עוצמה להעמקת ההבנה שלנו של תופעת גבישי הזמן באופן שמתקרב מאוד לרעיון המקורי של פרנק וילצ'ק", אומר תומס פוהל. "ניתן להשתמש בתנודות מדויקות המתקיימות בעצמן עבור חיישנים, למשל. אטומים ענקיים עם מצבי רידברג כבר שימשו בהצלחה לטכניקות כאלה בהקשרים אחרים."