Thursday, 15 Nov 2018

Cristalli di tempo

Cristalli di tempo sono strutture ipotetiche che hanno impulso senza richiedere alcuna energia – come un orologio che non ha mai bisogno di avvolgimento. Il modello si ripete nel tempo nello stesso modo in cui gli atomi di un cristallo si ripetono nello spazio. L’idea era così impegnativa che, quando il fisico e premio Nobel Frank Wilczek ha proposto il concetto provocatorio [1] nel 2012, altri ricercatori hanno dimostrato rapidamente che non c’era modo di creare cristalli di tempo.

Ma c’era una scappatoia, e ricercatori in un ramo separato della fisica hanno trovato un modo per sfruttare il gap. Monroe, un fisico presso l’Università del Maryland a College Park, e il suo team che avevano costruito catene di atomi per altri scopi ne hanno fatto una versione utilizzando un cristallo tempo [2].

Anche un gruppo guidato da ricercatori della Harvard University di Cambridge, Massachusetts, hanno modellato in modo indipendente cristalli tempo da diamanti ‘sporchi’ [3] . Entrambe le versioni, che sono pubblicate su Nature, sono considerate cristalli di tempo , ma non come Wilczek originariamente aveva immaginato.

Questo è il primo esempio di un notevole tipo di materia – un insieme di particelle quantistiche che cambia costantemente, e non raggiunge mai uno stato stazionario. Questi sistemi attingono stabilità dalle interazioni casuali che normalmente interrompono altri tipi di materia. “Questo è un nuovo tipo di ordine, quello che è stato pensato in precedenza impossibile. Questo è estremamente eccitante “, dice Vedika Khemani, parte del team di Harvard e in precedenza parte del gruppo che originariamente ha teorizzato l’esistenza del nuovo tipo di Stato. I fisici sperimentali stanno già pensando a come sfruttare le caratteristiche di questi strani sistemi in computer quantistici e per sensori magnetici super-sensibili.

Yao et al. hanno sviluppato un modello per la creazione di un cristallo di tempo e un metodo per rilevarlo. Spin quantistici sono sottoposti a impulsi imperfetti e poi lasciati interagire tra loro in presenza di forte disturbo casuale nei campi magnetici locali. La sequenza si ripete dopo un periodo di tempo totale T, ma il sistema di spin presenta oscillazioni emergenti con periodo di tempo di 2T.

Wilczek ha sognato i cristalli di tempo come un modo per rompere le regole. Le leggi della fisica sono simmetriche in quanto si applicano indistintamente a tutti i punti nello spazio e nel tempo. Eppure molti sistemi violano tale simmetria. In un magnete, gli spin atomici sono in fila, piuttosto che puntati in tutte le direzioni. In un cristallo minerale, gli atomi occupano posizioni impostate nello spazio, e il cristallo non è lo stesso se sono leggermente spostati. Quando una trasformazione fa sì che le proprietà cambino, i fisici la chiamano rottura di simmetria, ed è ovunque in natura – alla base del magnetismo, della superconduttività e anche del meccanismo di Higgs che dà a tutte le particelle massa.

Nel 2012, Wilczek, ora all’Università di Stoccolma, si chiedeva perché la simmetria non si rompesse mai spontaneamente nel tempo e se non  fosse possibile creare qualcosa in cui lo facesse. Lo chiamò cristallo di tempo. Sperimentali hanno immaginato una versione quantistica di questa entità come ad esempio un anello di atomi che ruota senza fine, ciclicamente ritornando alla sua configurazione iniziale. Le sue proprietà sarebbero sincronizzate all’infinito nel tempo, così come lo sono le posizioni atomiche correlate in un cristallo . Il sistema sarebbe nel suo stato energetico più basso, ma il suo movimento non richiederebbe forza esterna. Sarebbe, in sostanza, un moto perpetuo, anche se non produce energia utilizzabile.

“Da un primo approccio all’idea, si potrebbe dire che questo sia sbagliato”, dice Yao. Quasi per definizione, un sistema nel suo stato di energia più bassa non varia nel tempo. Se così fosse, vorrebbe dire che aveva energia in eccesso da perdere, dice Yao, e la rotazione si fermerebbe presto. “Ma Frank ha convinto la comunità che il problema era più sottile di quello che potesse sembrare” dice. Il moto perpetuo non è senza precedenti nel mondo dei quanti: in teoria, superconduttori conducono elettricità per sempre (anche se il flusso è uniforme, in modo che non mostrano variazioni nel tempo).

Questi problemi conflittuali nuotavano nella testa di Haruki Watanabe mentre usciva del primo esame orale per il dottorato a Berkeley. Presentando il suo lavoro sulla rottura di simmetria nello spazio, il suo supervisore gli ha chiesto sulle più ampie implicazioni dei cristalli tempo di Wilczek. “Non ho potuto rispondere alla domanda in quell’esame, ma mi interessava”, dice Watanabe, il quale dubitava che una tale entità fosse mai fattibile. “Mi sono chiesto: come posso convincere la gente che sia impossibile?'”

Insieme con il fisico Masaki Oshikawa presso l’Università di Tokyo, Watanabe ha iniziato cercando di dimostrare la sua risposta intuitiva in modo matematicamente rigoroso. Analizzando il problema in termini di correlazioni nello spazio e nel tempo tra le parti distanti del sistema, la coppia ha derivato un teorema nel 2015 dove mostrano che i cristalli di tempo erano impossibili da creare per qualsiasi sistema nel suo stato di più basso consumo energetico [4] . I ricercatori hanno anche verificato che i cristalli di tempo fossero impossibili per qualsiasi sistema in equilibrio – cioè che ha raggiunto uno stato costante di energia.

Per la comunità dei fisici, il caso era netto. “Sembrava esserci un no-go”, dice Monroe. Ma la prova ha lasciato una scappatoia: essa non ha escluso cristalli tempo in sistemi che non sono ancora regolati in uno stato costante e sono fuori equilibrio. In tutto il mondo, i teorici hanno iniziato a pensare a modi per creare versioni alternative di cristalli di tempo.

Quando la svolta è arrivata, è arrivata da un angolo improbabile della fisica, dove i ricercatori non stavano pensando ai cristalli di tempo.

Shivaji Sondhi, un fisico teorico all’Università di Princeton, New Jersey, ed i suoi colleghi stavano guardando quello che succedeva quando certi sistemi quantistici isolati, fatti di minestre di particelle interagenti, venivano ripetutamente disturbati da impulsi. Testi di fisica dicono che i sistemi dovrebbero scaldarsi e scendere nel caos. Ma nel 2015, la squadra di Sondhi, ha previsto che, in determinate condizioni, invece si raggrupperebbero insieme per formare una fase della materia che non esiste in equilibrio – un sistema di particelle che mostrerebbe correlazioni sottili mai viste prima – e che potrebbero ripetersi in un modello nel tempo [5].

Tale proposta ha catturato l’attenzione di Chetan Nayak, uno degli ex studenti di Wilczek, ora presso l’Università della California, Santa Barbara, e alla vicina stazione D. Nayak della Microsoft e dei suoi colleghi si son ben presto resi conto che questa strana forma di materia fuori equilibrio sarebbe potuta essere anche un tipo di cristallo tempo [6] . Ma non è del tipo di Wilczek: non sarebbe nel suo stato di energia più bassa, e richiederebbe un calcio regolare per impulso. Ma guadagnerebbe un ritmo costante che non corrisponde a quello del calcio istigato, e questo significa che si spezzerebbe la simmetria del tempo.

“E’ come giocare con una corda per saltare, e in qualche modo il nostro braccio giri due volte, ma la corda gira solo una volta”, dice Yao. Questo è un tipo più debole di rottura di simmetria rispetto a quella che Wilczek aveva immaginato: nella sua, la corda sarebbe oscillata da sola.

Quando Monroe ha sentito parlare di questo sistema proposto, inizialmente non lo capiva. “Più leggevo su di esso, più mi son incuriosito” dice.

L’anno scorso cercò di formare i suoi atomi in un cristallo di tempo. La ricetta è incredibilmente complessa, ma solo tre ingredienti erano essenziali: una forza che ripetutamente disturba le particelle, un modo per rendere gli atomi interagenti tra loro ed un elemento di disturbo casuale. La combinazione di questi, Monroe dice, assicura che le particelle siano limitate a quanta energia possono assorbire, permettendo loro di mantenere uno stato ordinato stazionario.

Nel suo esperimento, questo significa che ha ripetutamente sparato impulsi laser alternati ad una catena di dieci ioni di itterbio: il primo impulso laser ribalta il loro spin e il secondo rende gli spin interagenti tra loro in modo casuale. Questa combinazione ha provocato oscillazione negli spin atomici ma al doppio del periodo in cui venivano capovolti. Oltre a questo, i ricercatori hanno trovato che, anche se hanno cominciato a capovolgere il sistema in modo imperfetto, ad esempio cambiando leggermente la frequenza degli impulsi, l’oscillazione rimaneva la stessa. “Il sistema è ancora bloccato con una frequenza molto stabile”, dice Monroe. I cristalli spaziali sono ugualmente resistenti a qualsiasi tentativo di spingere via i loro atomi dal loro set spaziale, dice. “Questi cristalli tempo fanno la stessa cosa.”

Ad Harvard, fisico Mikhail Lukin ha provato a fare qualcosa di simile, ma in un sistema molto diverso – un pezzo 3D di diamante. Il minerale è stato crivellato con circa 1 milione di difetti, e ognuno ospita uno spin. Le impurità del diamante hanno fornito un disordine naturale. Quando Lukin e la sua squadra hanno utilizzato impulsi a microonde per capovolgere gli spin, hanno visto il sistema rispondere a una frazione della frequenza con cui è stato disturbato.

I fisici concordano sul fatto che i due sistemi spontaneamente rompono un tipo di simmetria del tempo e quindi matematicamente soddisfano i criteri del cristallo tempo. Ma vi è un certo dibattito sul fatto di chiamarli cristalli di tempo. “Questo è uno sviluppo interessante, ma in una certa misura si tratta di un abuso del termine”, dice Oshikawa.

Yao dice che i nuovi sistemi sono cristalli di tempo, ma che la definizione deve essere ridotta per evitare di includere fenomeni che sono già ben compresi e non così interessanti per i fisici quantistici.

Ma le creazioni di Monroe e Lukin sono entusiasmanti anche per motivi diversi, dice Yao. Essi sembrano essere i primi, e forse i più semplici, esempi di una serie di nuove fasi che esistono in stati relativamente inesplorati fuori equilibrio, dice. Essi potrebbero anche avere diverse applicazioni pratiche. Potrebbero essere impiegati in sistemi di simulazione quantistica che funzionano a temperature elevate. I fisici usano spesso particelle quantistiche entangled a temperature nanokelvin, vicine allo zero assoluto, per simulare comportamenti complessi di materiali che non possono essere modellati su un computer classico. I cristalli di tempo rappresentano un sistema quantistico stabile che esiste molto al di sopra di queste temperature – nel caso del diamante di Lukin, a temperatura ambiente – potenzialmente aprendo la porta a simulazioni quantistiche senza criogenia.

(a) Un cristallo tempo ha strutture periodiche sia nello spazio che nel tempo. Particelle disposte in un reticolo periodico nello spazio ruotano in una direzione anche a basso stato di energia, determinando periodicità nel tempo. (b) Una realizzazione sperimentale di un cristallo di tempo proposto da Li et al. utilizza ioni ultrafreddi confinati in un potenziale intrappolamento anulare. Gli ioni formano una struttura periodica nello spazio e, sotto un campo magnetico debole, si muovono lungo l’anello, creando un cristallo tempo.

Cristalli di tempo potrebbero anche trovare impiego in sensori di super-precisone, dice Lukin. Il suo laboratorio già utilizza i difetti del diamante per rilevare piccole variazioni di temperatura e campi magnetici. Ma l’approccio ha dei limiti, perché se troppi difetti sono confezionati in un piccolo spazio, le loro interazioni distruggono i loro stati quantici fragili. In un cristallo tempo, tuttavia, le interazioni servono a stabilizzare, piuttosto che interrompere, in modo che Lukin potrebbe sfruttare milioni di difetti insieme per produrre un segnale forte – tale da essere in grado di riconoscere efficientemente cellule viventi e materiali dello spessore di un atomo.

Lo stesso principio di stabilità da interazioni potrebbe essere applicato più ampiamente nel campo dell’informatica quantistica, dice Yao.

La storia di cristalli di tempo è un bellissimo esempio di come il progresso spesso accade quando diversi filoni di pensiero si uniscono, dice Roderich Moessner, direttore del Max-Planck-Institut per la Fisica dei sistemi complessi a Dresda, Germania. E può essere, dice, che questa particolare ricetta dimostra solo uno dei tanti modi per cucinare un cristallo di tempo.

[1] Wilczek, F. Phys. Rev. Lett. 109 , 160401 ( 2012 )
[2] Zhang, Z. et al . Nature 543 , 217 – 220 ( 2017 )
[3] Choi, S. et al . Nature 543 , 221 – 225 ( 2017 )
[4] Watanabe, H. & Oshikawa, M. Phys. Rev. Lett. 114 , 251.603 ( 2015 )
[5] Khemani, V. , Lazarides, A. , Moessner, R. & Sondhi, SL Phys. Rev. Lett. 116 , 250.401 ( 2016 )
[6] Else, DV , Bauer, B. & Nayak, C. Phys.Rev. Lett. 117 , 090.402 ( 2016 )

Fonte :American Physical Society / Nature

Stefania de Luca è owner del gruppo facebook “Astrofisica, cosmologia e…

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