Per la maggior parte delle persone, quando si parla di cristalli si intendono diamanti, pietre dure o forse i cristalli di ametista o di quarzo amate dai collezionisti. Per Norman Yao, questi cristalli inerti sono solo la punta dell’iceberg. Se i cristalli hanno una struttura atomica che si ripete nello spazio, come il reticolo di carbonio di un diamante, perché allora i cristalli non potrebbero avere una struttura che si ripete nel tempo? Cioè un cristallo temporale? In un documento presentato on line sulla rivista Physical Review Letters l’assistente professore di fisica della UC Berkeley descrive esattamente come creare e misurare le proprietà di tali cristalli e anche prevedere quali siano le varie fasi che dovrebbero circondare il cristallo temporale, simili alle fasi liquide e gassose nel ghiaccio.
Una catena monodimensionale di ioni di itterbio è stata trasformata in un cristallo temporale dai fisici dell’Università del Maryland sulla base di un modello fornito da Norman Yao della Berkeley. Ogni ione si comporta come lo spin di un elettrone e mostra interazioni a lungo raggio indicate con una freccia. (Crediti: Chris Monroe)
Questa non è solo mera speculazione. Due gruppi hanno seguito le indicazioni di Yao ed hanno già creato i primi cristalli temporali. I gruppi dell’università del Maryland e dell’università di Harvard hanno riferito nei documenti pubblicati lo scorso anno, di avere ottenuto dei successi usando due configurazioni completamente diverse ed hanno sottoposto i loro risultati alla pubblicazione. Yao è il coautore di entrambi i documenti.
I cristalli temporali si ripetono nel tempo perché sono spinti periodicamente, come se si spingesse ripetutamente sulla gelatina per farla dondolare, ha detto Yao. Egli sostiene che il punto interessante, non è tanto che questi particolari cristalli si ripetano nel tempo , quanto che essi sono i primi di una grande classe di nuovi materiali che sono intrinsecamente fuori equilibrio, incapaci di stabilizzarsi ad un equilibro immobile come per esempio in un diamante o un rubino .
“Si tratta di una nuova fase della materia, ma è anche particolarmente interessante perché si tratta di un primo esempio di materia fuori-equilibrio” ha detto Yao. “Nell’ultimo mezzo secolo abbiamo esplorato materiali equilibrati come metalli e isolanti, stiamo ora iniziando ad esplorare nuovi orizzonti della materia non in equilibrio.
Mentre per Yao è difficile immaginare l’uso di cristalli temporali, altre fasi proposte di materiali non in equilibrio teoricamente sono una promessa per sistemi di memorizzazione quasi perfetta che potrebbe essere usata in computer quantistici.
Una catena di Itterbio
Il cristallo temporale creato da Chris Monroe e dai suoi collegi dell’Università del Maryland impiega una fila di 10 ioni di itterbio i cui spin elettronici interagiscono, in modo simile ai sistemi di qubit testati nei computer quantistici. Per mantenere gli ioni fuori equilibrio, i ricercatori li colpiscono alternativamente con un laser per creare un campo magnetico efficace e con un secondo laser per invertire parzialmente gli spin degli atomi ripetendo la sequenza piu’ volte. Dato che gli spin interagiscono, gli atomi si stabilizzano in uno schema ripetitivo di inversione di rotazione che definisce un cristallo.
I cristalli temporali sono stati proposti la prima volta nel 2012 dal premio Nobel Frank Wilczek e lo scorso anno, i fisici teorici della Princeton University e della UC Santa Barbara (Station Q) hanno provato indipendentemente che si possa creare un tale cristallo. Secondo Yao, il gruppo di Berkeley è stato il “ponte tra l’idea teorica e l’implementazione sperimentale”. Dalla prospettiva della meccanica quantistica, gli elettroni possono formare cristalli che non combaciano con la sottostante simmetria di traslazione del reticolo ordinato e tridimensionale degli atomi, spiega Yao. Questo rompe la simmetria del materiale e porta a proprietà uniche e stabili che troviamo in un cristallo.
Un cristallo temporale rompe la simmetria. In questo caso particolare, il campo magnetico e il laser guidano periodicamente gli atomi di itterbio a produrre una ripetizione nel sistema ad una frequenza doppia degli stimoli forniti, qualcosa che non accadrebbe in un sistema normale. “Non sarebbe super strano far saltellare una gelatina e osservare che risponde con una frequenza diversa?”, dice Yao. “Questa è l’essenza del cristallo temporale. Avete uno stimolo con un periodo “T”, ma il sistema in qualche modo si sincronizza in modo tale da oscillare con un periodo superiore a “T”.
Yao ha lavorato strettamente con Monroe, mentre il suo team del Maryland creava il nuovo materiale, aiutandoli a concentrarsi sulle proprietà importanti da misurare per confermare che i risultato fosse in effetti uno stabile o rigido cristallo temporale. Yao ha descritto anche come il cristallo temporale cambierebbe fase, come un cubetto di ghiaccio che si scioglie, sotto diversi impulsi magnetici e laser. Il team di Harvard, guidato da Mikhail Lukin, ha configurato il cristallo temporale usando centri di azoto vacante densamente impacchettati nei diamanti.
“Risultati talmente simili ottenuti con due sistemi molto differenti, sottolineano che i cristalli temporali sono una ampia nuova fase della materia, non solo una curiosità relegata a specifici sistemi”, scrive Phil Richerme, della Indiana University, in un pezzo di accompagnamento al paper pubblicato su Physical Review Letters. “L’osservazione del cristallo temporale discreto…conferma che la rottura di simmetria può avvenire essenzialmente in tutti i reami naturali e apre la strada a nuove piste di ricerca”.
Yao continua il suo lavoro sui cristalli temporali, esplorando la teoria sottostante a nuovi e non ancora realizzati materiali fuori equilibrio. I co-autori di Yao sono il professore di fisica Ashvin Vishwanath della UC Berkeley, Andrew Potter ora assistente professore della University of Texas ad Austin e lo studente laureato Ionut-Dragos Potirniche sempre presso la UC Berkeley. Il lavoro è stato supportato dall’Air Force Office of Scientific Research, il Simons Investigator Program, la Gordon and Betty Moore Foundation e il Miller Institute for Basic Research in Science della UC Berkeley.
Robert Sanders