A observação experimental de um cristal de tempo dissipativo em um gás de Rydberg

Um cristal de tempo dissipativo é uma fase da matéria caracterizada por oscilações periódicas ao longo do tempo, enquanto um sistema está dissipando energia. Em contraste com os cristais de tempo convencionais, que também podem ocorrer em sistemas fechados sem perda de energia, os cristais de tempo dissipativos são observados em sistemas abertos com energia fluindo livremente para dentro e para fora deles.

Pesquisadores da Universidade de Tsinghua observaram recentemente um cristal de tempo dissipativo em um gás Rydberg fortemente interativo à temperatura ambiente. Seu artigo, publicado em Física da Naturezaabre novas possibilidades para o estudo deste fascinante estado da matéria.

“Os resultados que alcançamos foram totalmente não planejados”, disse o Dr. Li You, pesquisador supervisor do estudo, ao Phys.org. “Durante a pandemia do corona, três anos atrás, o autor principal, Dr. Xiaoling Wu, então aluno de doutorado, estava determinado a continuar trabalhando no laboratório quando apenas alguns alunos tinham permissão para entrar. Naquela época, nosso objetivo principal era experimentar a excitação de Rydberg em um gás atômico ultrafrio.”

Enquanto cursava seu Ph.D. na Universidade de Tsinghua, o Dr. Xiaoling observou experimentalmente oscilações semelhantes a ruídos na transmissão de uma luz de sonda passando pela célula de vapor térmico usada para bloquear lasers em transições atômicas. Na época, nem ele nem seus colegas entenderam o que era esse fenômeno surpreendente, pois ele ainda não havia sido previsto ou descrito teoricamente.

“Xiaoling Wu, junto com Zhuqing Wang e Dr. Fan Yang (os três primeiros coautores do nosso artigo), acompanhados pelo Dr. Xiangliang Li da Academia de Ciência da Informação Quântica de Pequim, começaram suas emocionantes explorações da física associada a esse fenômeno recém-descoberto, tanto do lado experimental quanto do teórico, o que eventualmente levou ao trabalho relatado”, disse You. “O instinto e a persistência de Xiaoling, bem como a cooperação de todas as pessoas em nossa equipe são cruciais para essa descoberta inesperada que já foi relatada por muitos grupos.”

Os pesquisadores também foram acompanhados pelo Dr. Thomas Pohl, que contribuiu para os aspectos teóricos do estudo. Pohl trabalhou em colaboração próxima com Yang, que estava trabalhando como pós-doutorado com ele na época.

“Houve vários experimentos anteriores estudando a interação do laser com gases Rydberg atômicos e nenhum deles relatou o tipo de comportamento oscilante visto no experimento atual”, disse Pohl. “Então, a observação experimental foi um quebra-cabeça maravilhoso que teve que ser resolvido para entender sua origem e nos convencer de que as oscilações estavam de fato emergindo puramente de interações entre átomos e luz.”

Um cristal de tempo é essencialmente um estado da matéria no qual oscilações temporais emergem espontaneamente. Essas observações lembram um pouco aquelas observadas em cristais normais, nos quais as interações mútuas entre átomos fazem com que eles se organizem espontaneamente seguindo padrões espaciais específicos.

“Existem dois tipos de cristais de tempo: um cristal de tempo discreto que se forma sob uma força motriz periódica e um cristal de tempo contínuo que emerge espontaneamente sob condições independentes do tempo”, explicou Yang. “Este último foi observado em nosso trabalho.”

Transparência induzida eletromagneticamente (EIT) é um fenômeno óptico quântico no qual, devido à interferência destrutiva, dois estados quânticos fortemente acoplados estabelecem uma janela de transparência para a luz de sonda em um terceiro estado quase ressonante. Notavelmente, as formas das linhas de transmissão da luz através desta janela são alteradas na presença de fortes interações dipolo-dipolo entre átomos de Rydberg.

“Em nossos experimentos, adotamos uma configuração de escada de três estados, com um estado Rydberg superior acoplado a um estado excitado intermediário, que é sondado a partir do estado fundamental”, explicou You. “Uma configuração tão simples permite estudar física de não equilíbrio para uma infinidade de tópicos, como dinâmica epidêmica, incêndios florestais e criticidade auto-organizada, em um gás atômico frio ou quente.

“Nossos experimentos são realizados em uma célula de vapor de ⁸⁵Átomos de Rb, com a luz de sonda de 780 nm quase ressonante à transição |g⟩ = |5S_1/2⟩ para |e⟩ = |5P_3/2⟩, que é acoplado ainda por uma luz de acoplamento de 480 nm às variedades de Rydberg |nD_Eu⟩.”

Em seus experimentos, You, Pohl e seus colegas iluminaram um gás de átomos em temperatura ambiente, usando uma luz laser. Os campos de laser aplicados excitaram alguns dos átomos no gás em estados chamados de Rydberg, que fortaleceram as interações entre os átomos.

A interação forte resultante afeta o processo de excitar átomos em um estado Rydberg, que por sua vez afeta as interações atômicas, criando um “ciclo virtuoso” marcado por interações cada vez mais fortes entre átomos. Curiosamente, os pesquisadores descobriram que, sob algumas condições específicas, esse ciclo de feedback pode resultar em oscilações espontâneas no número de átomos Rydberg.

“Descobriu-se que são necessárias condições especiais sob as quais o campo de laser aplicado excita dois tipos distintos de átomos de Rydberg, de modo que sua interação mútua pode causar oscilações que podem ser observadas diretamente como oscilações da intensidade da luz do laser transmitida através do gás atômico”, disse Pohl. “No entanto, uma vez que essas condições são atendidas, o cristal de tempo contínuo resultante é notavelmente robusto e exibe oscilações autossustentadas por um tempo praticamente indefinido.”

Uma diferença fundamental entre o experimento dos pesquisadores e outros semelhantes realizados no passado é que eles ajustaram a polarização da luz de acoplamento, o que levou |e⟩ a estados Rydberg distintos. As interações e a competição entre os múltiplos componentes Rydberg na configuração da equipe enriquecem significativamente o diagrama de fase do sistema, permitindo que a fase do cristal de tempo dissipativo surja.

“Assinaturas de um cristal de tempo dissipativo foram observadas recentemente em dois outros sistemas, onde ele emerge do acoplamento de átomos a um único modo de fótons em um ressonador óptico ou devido ao acoplamento de um único spin de elétron aos spins nucleares em um material de estado sólido”, disse Yang.

“Nosso trabalho relata a observação de um cristal de tempo contínuo que emerge das interações mútuas entre partículas em um sistema de muitos corpos. Nesse sentido, a descoberta fornece uma plataforma promissora para aprofundar nossa compreensão do fenômeno do cristal de tempo que se aproxima mais da ideia original de um cristal de tempo proposta por Frank Wilczek em 2012.”

O estudo recente desta equipe de pesquisadores lança luz sobre as condições necessárias para observar o comportamento do cristal de tempo em gases de átomos de Rydberg. O trabalho deles já inspirou experimentos adicionais dentro de seus laboratórios, alguns dos quais tinham como objetivo controlar as propriedades das oscilações autossustentadas que eles observavam.

“Dessa forma, a fase do cristal de tempo poderia ser explorada para melhorar o desempenho de sensores de campo elétrico de alta precisão, para os quais átomos gigantes de Rydberg já encontraram aplicações tecnológicas”, explicou Pohl.

Você, Pohl e seus colegas introduziram uma plataforma altamente promissora para estudar cristais de tempo dissipativos. O trabalho deles já abriu caminho para experimentos em outros laboratórios ao redor do mundo, visando estudar mais profundamente o cristal de tempo dissipativo e controlar as propriedades das oscilações.

No futuro, esses trabalhos podem contribuir para o desenvolvimento de novos dispositivos tecnológicos. Por exemplo, eles podem permitir que engenheiros projetem sensores de melhor desempenho e alta precisão baseados em átomos de Rydberg.

“No futuro imediato, nos concentraremos em delinear as diferenças entre o ciclo limite e a simetria de translação de tempo contínuo quebrando o cristal de tempo”, disse You. “O último dos quais, ou TC, é frequentemente referenciado a um sistema quântico de macroscopia com rigidez e emaranhamentos de muitos corpos.”

Em seus próximos estudos, You e seus colegas esperam observar diretamente características salientes associadas a correlações quânticas macroscópicas. Seus esforços podem reunir novas evidências confirmando que essas características estão de fato além da descrição da teoria do campo médio empregada em seu artigo.

Você e seus colegas também planejam investigar as possíveis aplicações do cristal de tempo que eles observaram. Por exemplo, eles tentarão determinar se ele poderia ser usado para desenvolver dispositivos mais avançados para detecção de campo eletromagnético e metrologia.

“No futuro, será importante entender melhor os processos microscópicos detalhados que levam a oscilações espontâneas em um gás de átomos em temperatura ambiente”, acrescentou Pohl. “Nossas descobertas também podem ajudar a identificar os mecanismos básicos que são geralmente necessários para o surgimento de cristais de tempo contínuo em sistemas de muitas partículas interagindo.

“Será particularmente importante entender o significado e o papel do emaranhamento quântico entre as partículas, o que pode se tornar exclusivamente possível em nosso sistema.”

© 2024 Rede Ciência X