I fisici creano il primo cristallo al mondo

I cristalli sono oggetti straordinari, anche per la loro simmetria. I cristalli formano motivi ripetuti che sono gli stessi in alcune direzioni ma non in tutte le direzioni. È una sorta di sorpresa dato che le leggi della fisica, che governano la loro formazione, sono le stesse in tutte le direzioni.

Che le leggi della fisica siano spazialmente simmetriche ma i cristalli non lo siano è un fenomeno noto come rottura della simmetria. Non si ottiene aggiungendo energia a un sistema, ma togliendola. In effetti, i cristalli sono una manifestazione di sistemi nei loro stati di energia più bassi.

Ma le leggi della fisica non sono solo simmetriche nello spazio ma anche nel tempo. E questo solleva l'interessante questione se sia possibile rompere la simmetria temporale allo stesso modo. In altre parole, è possibile creare cristalli di tempo?

Oggi riceviamo una risposta grazie al lavoro di Chris Monroe dell'Università del Maryland a College Park e di alcuni amici, che hanno creato per la prima volta un cristallo del tempo nel loro laboratorio.

Il processo di base per creare cristalli di tempo è semplice. L'idea è quella di creare un sistema quantistico, come un gruppo di ioni disposti ad anello, e raffreddarli fino a raggiungere il loro stato energetico più basso. In queste circostanze, le leggi della fisica suggerirebbero che l'anello dovrebbe essere perfettamente fermo.

Ma se la simmetria temporale fosse interrotta, l'anello potrebbe variare periodicamente nel tempo. In altre parole, ruoterebbe. Naturalmente, non sarebbe mai possibile estrarre energia da questo movimento, ciò violerebbe la conservazione dell'energia. Ma la rottura della simmetria temporale si manifesterebbe in questo movimento ripetuto nel tempo, proprio come la rottura della simmetria spaziale si manifesta come schemi ripetuti nello spazio.

Questa è la teoria, ma nel mondo reale le cose non sono così semplici. Il problema principale è che il mondo quantistico non è governato da variabili dipendenti dal tempo, quindi la simmetria temporale non può essere infranta su questa scala. Quindi, in circostanze normali, il raffreddamento di un anello di ioni al loro stato energetico più basso li lascerebbe fermi.

Ma ci sono circostanze in cui i sistemi quantistici si evolvono nel tempo. Munro e colleghi si sono concentrati su questi: sistemi quantistici che non sono in equilibrio. Il loro sistema quantistico è una linea di ioni itterbio con spin che interagiscono tra loro.

Tale interazione porta a un tipo speciale di comportamento. Una delle strane caratteristiche delle particelle quantistiche è che di solito non esistono in luoghi specifici. Invece sono imbrattati nello spazio con la possibilità che appaiano ovunque governati dalle leggi della probabilità.

Ma in alcune circostanze questo può cambiare. Ad esempio, un singolo elettrone all'interno di un materiale può interferire con se stesso in un modo che lo costringe ad apparire in un'unica posizione. Questa è nota come localizzazione di Anderson, dal nome del fisico che la predisse negli anni '50.

Più recentemente, i fisici hanno studiato gruppi di particelle quantistiche che interagiscono tra loro in modo da localizzarle tutte. Questa cosiddetta localizzazione a molti corpi è uno stato delicato che mantiene le particelle quantistiche in uno stato fuori equilibrio. In altre parole, li costringe a essere localizzati. Ed è esattamente come si comporta questa catena di ioni itterbio.

Una delle proprietà chiave di questi ioni è la loro magnetizzazione o rotazione, che può essere ruotata verso l'alto o verso il basso utilizzando un laser. Capovolgere lo spin di uno ione provoca il capovolgimento del successivo e così via. Queste interazioni di rotazione oscillano quindi a una velocità che dipende dalla frequenza con cui il laser ruota la rotazione originale. In altre parole, la frequenza di pilotaggio determina la velocità di oscillazione.

Ma quando Monroe e compagni hanno misurato questo, hanno trovato un altro effetto. Questi ragazzi hanno scoperto che dopo aver permesso al sistema di evolversi, le interazioni avvenivano a una velocità doppia rispetto al periodo originale. Dal momento che non c'è forza trainante con quel periodo, l'unica spiegazione è che la simmetria temporale deve essere stata rotta, consentendo così questi periodi più lunghi. In altre parole, Monroe e compagni avevano creato un cristallo del tempo.

Il team ha continuato a misurare alcune delle proprietà di questi cristalli. Hanno scoperto, ad esempio, che la modifica della frequenza di pilotaggio non ha modificato la frequenza del cristallo del tempo. Questo rappresenta la 'rigidità' del cristallo temporale discreto, dicono.

E hanno scoperto che altre perturbazioni potrebbero eventualmente distruggere il cristallo del tempo. Quando le perturbazioni sono troppo grandi, il cristallo 'si scioglie', dicono Monroe e co.

È un lavoro interessante, anche se esoterico. Dimostra che i cristalli temporali possono effettivamente esistere, come previsto nel 2012 dal fisico vincitore del premio Nobel Frank Wilczek al MIT e da Al Shapere all'Università del Kentucky.

Per quanto riguarda le applicazioni, Monroe e compagni danno un paio di suggerimenti. Dicono, ad esempio, che i cristalli temporali potrebbero essere usati per compiti di informazione quantistica, come l'implementazione di una solida memoria quantistica.

Ma la natura esotica della localizzazione di molti corpi e il fatto che sia ancora poco conosciuta può significare che altri fisici vorranno controllare attentamente la natura di questo effetto prima di confermare che mostra davvero l'esistenza dei cristalli temporali.

Quindi c'è un lavoro più eccitante da fare.

Rif: http://arxiv.org/abs/1609.08684 : Osservazione di un cristallo a tempo discreto

nascondere