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I ricercatori sono riusciti a prolungare la vita dei cristalli temporali fino a 40 minuti, 10 milioni di volte in più rispetto a quanto fatto negli esperimenti precedenti. Ciò rappresenta un importante progresso nel campo della fisica quantistica, ed è la conferma più forte del fenomeno che la ripetizione periodica della struttura cristallina è legata allo spazio e al tempo.
I cristalli sono caratterizzati da una disposizione strutturale periodica e ripetitiva degli atomi nello spazio. Questa disposizione gli conferisce il suo caratteristico aspetto liscio, come la superficie di una pietra preziosa tagliata. Sebbene questo ordine periodico sia evidente nello spazio, Frank Wilczek, fisico del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e vincitore del Premio Nobel per la fisica nel 2004, ha suggerito nel 2012 che potrebbe anche essere correlato al tempo, sotto forma di cristalli temporali. .
Secondo Wilczek è possibile progettare cristalli del tempo costituiti da gruppi di particelle che periodicamente si muovono e ritornano al loro stato originale, come un oscillatore. Ciò può accadere anche se il sistema non presenta interferenze periodiche corrispondenti che potrebbero causare questo fenomeno. Tuttavia, quest’ultimo è ovviamente diverso dal moto perpetuo (movimento che può continuare indefinitamente senza una fonte esterna di energia o trasformazione della materia), dato che un cristallo temporale teoricamente non emette energia.
Questo fenomeno fino a poco tempo fa era considerato impossibile, ed è stato oggetto di discussione per diversi anni fino al 2017, quando i ricercatori hanno potuto provarlo. Tuttavia, contrariamente alla teoria iniziale, questi cristalli dovevano essere sottoposti ad un'eccitazione temporale periodica per poter persistere.
Solo nel 2022 è stato prodotto un cristallo che oscilla periodicamente nel tempo e indipendentemente dai tempi di eccitazione nei condensati di Bose-Einstein (uno stato della materia costituito da bosoni a una temperatura sufficientemente bassa). Poi, altri ricercatori sono riusciti a simularlo utilizzando potenti computer quantistici. Tuttavia, i cristalli temporali risultanti duravano solo da pochi millisecondi a un centesimo di secondo.
Nel loro nuovo studio, che è stato recentemente pubblicato sulla rivista
Fisica della naturaI ricercatori dell'Università Tecnica di Dortmund (in Germania) hanno rivelato il cristallo temporale più potente mai realizzato. In particolare, sono riusciti a prolungare in modo sorprendente la durata di oscillazione (o vita) del cristallo.
Grafico tridimensionale dei cicli di polarizzazione dello spin del nuovo tipo di cristallo temporale. Ogni punto corrisponde a un valore sperimentale, portando a diverse intuizioni sulla dinamica periodica della polarizzazione dello spin nucleare del cristallo. © Alex Grealish/TU Dortmund
Durata standard 40 minuti
Per progettare il loro cristallo, i fisici di Dortmund hanno scelto modelli di arseniuro di indio e gallio, in cui gli spin nucleari fungono da serbatoio di induzione dell’oscillazione per il cristallo del tempo. Lo spin è una proprietà quantistica intrinseca dei componenti di un atomo, come la massa e la carica. Ad esempio, la risonanza magnetica nucleare è una proprietà di alcuni nuclei atomici che hanno spin nucleare e sono posti in un campo magnetico. Per un cristallo temporale, l'interazione tra lo spin del nucleo e gli elettroni permette di indurre un'oscillazione, un po' come un pendolo.
Più precisamente, il cristallo veniva continuamente illuminato da un fascio di luce accuratamente dosato, in modo tale che gli spin nucleari risultavano polarizzati attraverso l'interazione con gli spin degli elettroni. La polarizzazione dello spin è una misura del grado in cui lo spin è allineato con una particolare direzione, che può essere indotta da un campo magnetico o elettrico. ” È proprio questa polarizzazione dello spin nucleare che poi genera spontaneamente delle oscillazioni, l'equivalente di un cristallo del tempo “, hanno spiegato i ricercatori dell'A
Ho riferito Dall'Università Tecnica di Dortmund.
Durante i loro esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che le oscillazioni ottenute non mostravano alcun segno di decadimento, anche dopo 40 minuti, ovvero 10 milioni di volte in più di quanto fosse stato possibile fino ad ora. Ciò indica anche che questo fenomeno può durare diverse ore. ” È possibile variare il periodo di cristallizzazione su larga scala modificando sistematicamente le condizioni sperimentali », suggeriscono gli esperti.
Inoltre, sarebbe anche possibile regolare le condizioni affinché il cristallo si coalesti e perda la sua periodicità. Sarebbe interessante studiare come questo tipo di comportamento caotico si mantenga per lunghi periodi.