Quando parliamo di cristallo ci riferiamo generalmente ad una sostanza solida la cui struttura rappresenta uno schema che si ripete nello spazio. Si trovano quasi ovunque nel nostro ambiente; Ad esempio, il ghiaccio, il sale da cucina, gli zuccheri e molti minerali rientrano in questa categoria. A livello microscopico è costituito da una rete di atomi che si incastrano secondo regole ben precise, e queste reti sono più o meno bloccate nella stessa posizione; Se la struttura cambia, deve essere dovuto ad una forza esterna.

Ma nel 2012 il fisico e matematico Frank Wilczek ha avanzato una teoria che a prima vista sembrava inverosimile. Supponeva che potesse esserci anche quello Cristalli del tempo la cui struttura si ripete non solo nello spazio ma anche nel tempo, senza che alcuna forza esterna imponga loro un ritmo specifico.

Concetto in corso

Nonostante la buona reputazione di cui godeva questo eminente ricercatore, venne incoronato Premio Nobel nel 2004 Per le sue ricerche sull'interazione degli atomi, L’idea era considerata piuttosto anomala da gran parte del mondo accademico. La maggior parte dei fisici vide ciò come una palese violazione delle leggi della fisica, in particolare della seconda legge della termodinamica, la quale implica che un sistema in equilibrio non può in nessun caso muoversi per sempre senza un apporto di energia.

Ma l’idea ha comunque incuriosito alcuni scienziati audaci che hanno deciso di portare questo esperimento un po’ oltre. Il loro obiettivo: Conciliare il concetto con i modelli teorici. Questo approccio ha iniziato a produrre risultati interessanti nel 2016, quando diversi team statunitensi hanno proposto nuovi metodi sperimentali basati sulla meccanica quantistica. Così la definizione di cristallo del tempo ha cominciato ad evolversi: non cerchiamo più materiali i cui atomi si muovono spontaneamente, ma piuttosto cerchiamo la regolarità nel comportamento delle particelle che li compongono.

Questa nuova concezione del problema aprì la strada ai primi progressi tangibili. Nel 2017, team di Berkeley, Harvard e MIT hanno monitorato separatamente l’esposizione materiale. Oscillazioni periodiche con un ritmo completamente diverso da quello imposto da una fonte di alimentazione esterna. È un po' come un'altalena che “decide” da sola di muoversi a una velocità ben specifica, indipendentemente dalla forza con cui la spingi.

Questa è la prima prova concreta che alcuni sistemi esibiscono una sorta di temporalità intrinseca, il che rappresenta un grande passo avanti. D'altro canto questi fenomeni erano ancora relativamente lontani dall'idea originale di Wilczek, poiché per provocare questo fenomeno regolare era necessaria una fonte esterna di energia ciclica.

Un cristallo temporale fatto di atomi giganti

È qui che entrano in gioco i ricercatori delle università di Vienna, Austria, e Tsinghua, Cina. Insieme, le due squadre sono riuscite a raggiungere questo obiettivo Creare un cristallo temporale è molto più vicino al concetto proposto da Wilczek.

Per capire cosa rende diverse queste opere, dobbiamo fare una semplice deviazione per osservare la struttura del materiale. Ogni atomo contiene un certo numero di elettroni distribuiti in orbite ben definite attorno ai nuclei di protoni e neutroni. Il diametro di questa orbita dipende dall'eccitazione dell'elettrone; Se gli trasferiamo energia, può spostarsi in un'orbita molto più ampia. Se spingiamo questa eccitazione all’estremo in modo che l’elettrone si allontani il più possibile dal nucleo dell’atomo, passa in uno stato chiamato “ Di Rydberg »; Otteniamo un “atomo gigante” che può essere molte volte più grande della sua versione non eccitata.

Questi oggetti sono chiamati Atomi di Rydberg, particolarmente interessante per i fisici. In effetti, le loro interazioni possono portare a un fenomenogroviglio Quantistico, uno stato misterioso in cui due particelle sono inestricabilmente legate indipendentemente dalla distanza.

Tuttavia, questo intreccio non è l’unico strano fenomeno che appare quando atomi giganti calpestano le aiuole vicine. Gli autori di questo studio hanno dimostrato che se gli atomi di rubidio nella configurazione Rydberg vengono esposti a un raggio laser, Cominciano ad oscillare in un modo che ricorda fortemente i cristalli del tempo di Wilczek.

” Se gli atomi nel nostro contenitore sono preparati a formare atomi di Rydberg e il loro diametro diventa enorme, anche le forze tra questi atomi diventano molto importanti. », dice Thomas Paul, coautore dello studio. ” Questo cambia completamente il modo in cui interagiscono con il laser. Se scegliamo il fascio in modo che possa eccitare contemporaneamente due diversi stati Rydberg sullo stesso atomo, otteniamo un circuito di feedback che provoca oscillazioni spontanee tra i due stati atomici. »

Ciò che fa la differenza rispetto al lavoro precedente è che questa volta i ricercatori non hanno cercato affatto di imporre un ritmo specifico al loro sistema. “ Il raggio laser ha sempre la stessa intensità, quindi le interazioni tra luce e atomi sono sempre le stesse. Ma sorprendentemente notiamo che il segnale in uscita oscilla secondo schemi molto regolari “, lui spiega.

Questa differenza può sembrare banale, ma in realtà è molto importante: significa che i ricercatori hanno prodotto un sistema concettualmente molto vicino all'idea originale di Frank Wilczek.

L'inizio della tecnologia rivoluzionaria?

Questa è un'ottima notizia Perché una volta compresi meglio i meccanismi di base, questi cristalli temporali potrebbero trovarsi al centro di enormi innovazioni. Pohl suggerisce che possano essere utilizzati per creare un file Una nuova generazione di sensori ultraprecisi.

Nel frattempo, anche altri ricercatori ne hanno suggerito l'uso in… Statistiche quantitative. Una delle maggiori sfide di questa disciplina è mantenere con successo i qubit in uno stato di coerenza, cioè in uno stato di sovrapposizione ed entanglement quantistico. Quindi la tendenza naturale degli atomi di Rydberg verso questi ultimi potrebbe essere preziosa.

Inoltre, questa idea è già stata esplorata. Ma ora che questa periodicità essenziale è stata documentata, l’idea è diventata più attraente. Sulla carta potremmo sfruttare un sistema di questo tipo per sincronizzare queste unità logiche con estrema precisione, riducendo così gli errori e beneficiando al tempo stesso di una coerenza più stabile e robusta.

Infine, questi cristalli temporali possono essere utilizzati anche nella ricerca fondamentale, soprattutto per i fisici che studiano i fenomeni quantistici per comprendere meglio la natura e il comportamento della materia su scala più piccola. Anche se questo lavoro è ancora agli inizi, sarà interessante seguirne i potenziali risultati.

Il testo dello studio è disponibile Qui.

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