Oamenii de știință au descoperit un mod cu totul nou de a măsura timpul

• Atomii Rydberg sunt baloanele prea umflate din regnul particulelor.
• Umflați cu lasere în loc de aer, acești atomi conțin electroni în stări de energie extrem de ridicată, care orbitează departe de nucleu.
• Regula matematică din spatele acestui joc sălbatic de ruletă cu electroni Rydberg este denumită pachet de unde Rydberg.

Determinarea trecerii timpului în lumea noastră, a ceasurilor care ticăie și a pendulurilor care oscilează, este un caz simplu de numărare a secundelor dintre „atunci” și „acum”. Cu toate acestea, la scara cuantică a electronilor care zbârnâie, „atunci” nu poate fi întotdeauna anticipat. Mai rău, „acum” se estompează adesea într-o ceață de neclaritate. Un cronometru pur și simplu nu va funcționa pentru a măsura timpul.

O potențială soluție ar putea fi găsită în însăși forma ceții cuantice, potrivit unui studiu realizat în 2022 de cercetătorii de la Universitatea Uppsala din Suedia. Experimentele lor asupra naturii ondulatorii a ceva numit stare Rydberg au dezvăluit o modalitate nouă de a măsura timpul care nu necesită un punct de plecare precis.

Atomii Rydberg sunt baloanele prea umflate din regnul particulelor. Umflați cu lasere în loc de aer, acești atomi conțin electroni în stări de energie extrem de ridicată, care orbitează departe de nucleu. Desigur, nu este nevoie ca fiecare pompare a unui laser să umfle un atom până la proporții de desen animat. De fapt, laserele sunt folosite în mod obișnuit pentru a gâdila electronii în stări de energie mai ridicată pentru o varietate de utilizări.

În unele aplicații, un al doilea laser poate fi utilizat pentru a monitoriza modificările poziției electronului, inclusiv trecerea timpului. Aceste tehnici de tip „pompă-sondă” pot fi utilizate, de exemplu, pentru a măsura viteza anumitor dispozitive electronice ultrarapide.

Inducerea atomilor în stări Rydberg este un truc util pentru ingineri, nu în ultimul rând atunci când vine vorba de proiectarea unor componente noi pentru calculatoarele cuantice. Inutil să mai spunem că fizicienii au acumulat o cantitate semnificativă de informații despre modul în care electronii se mișcă atunci când sunt împinși într-o stare Rydberg.

Totuși, fiind vorba de animale cuantice, mișcările lor nu seamănă atât de mult cu niște mărgele care alunecă pe un abac minuscul, ci mai degrabă cu o seară la masa de ruletă, unde fiecare rostogolire și săritură a bilei este comprimată într-un singur joc de noroc.

Regula matematică din spatele acestui joc sălbatic de ruletă cu electroni Rydberg este denumită pachet de unde Rydberg. La fel ca valurile reale, existența mai multor pachete de unde Rydberg care se unduiesc într-un spațiu creează interferențe, rezultând modele unice de unduiri. Aruncați suficient de multe pachete de unde Rydberg în același iaz atomic, iar aceste modele unice vor reprezenta fiecare dintre ele timpul distinct de care au nevoie pachetele de unde pentru a evolua în concordanță unele cu altele.

Tocmai aceste „amprente” ale timpului au fost testate de fizicienii din spatele acestui set de experimente, demonstrând că sunt suficient de consistente și de fiabile pentru a servi ca o formă de marcare a timpului cuantic. Cercetarea lor a implicat măsurarea rezultatelor atomilor de heliu excitați cu laser și compararea rezultatelor lor cu predicțiile teoretice pentru a arăta cum rezultatele semnăturii lor ar putea reprezenta o durată de timp.

„Dacă folosești un contor pentru a măsura timpul, trebuie să definești zero. Începi să numeri de la un anumit punct”, a explicat pentru New Scientist, în 2022, fizicianul Marta Berholts de la Universitatea Uppsala din Suedia, care a condus echipa.

„Avantajul acestui lucru este că nu trebuie să pornești ceasul – pur și simplu te uiți la structura de interferență și spui „bine, au trecut 4 nanosecunde”.” Un ghid al pachetelor de unde Rydberg în evoluție ar putea fi folosit în combinație cu alte forme de spectroscopie cu sondă de pompare care măsoară evenimente la scară mică, când acum și atunci sunt mai puțin clare sau pur și simplu prea incomode pentru a fi măsurate.

Este important de menționat că niciuna dintre amprente nu necesită un atunci și un acum pentru a servi drept punct de pornire și oprire a timpului. Ar fi ca și cum ai măsura cursa unui sprinter necunoscut în raport cu un număr de concurenți care aleargă la viteze stabilite.

Prin căutarea semnăturii stărilor Rydberg care interferează în mijlocul unui eșantion de atomi de sondă-pompă, tehnicienii ar putea observa o marcă temporală pentru evenimente atât de trecătoare, cât și pentru doar 1,7 trilionimi de secundă.