Alla ricerca dei cristalli temporali

Ikon Images / AGF

L’esistenza di bizzarri stati della materia chiamati cristalli temporali, immaginati alcuni anni fa dal premio Nobel per la fisica Frank Wilczek, era considerata fisicamente impossibile, ma ora si è scoperto che non è così, e che in prospettiva potrebbero anche trovare applicazioni pratiche.

Christopher Monroe passa la sua vita a stuzzicare gli atomi con la luce. Li organizza in anelli e catene e poi li “massaggia” con il laser per esplorarne le proprietà e costruire semplici computer quantistici. Lo scorso anno, ha deciso di tentare qualcosa di apparentemente impossibile: creare un cristallo temporale.

Il nome fa pensare a un oggetto di scena degno del Doctor Who, ma ha radici nella fisica reale. I cristalli temporali sono strutture ipotetiche che pulsano senza richiedere alcuna energia, come un orologio che non ha mai bisogno di carica. Lo schema si ripete nel tempo nello stesso modo in cui gli atomi di un cristallo si ripetono nello spazio. L’idea era così scioccante che, quando nel 2012 il fisico e premio Nobel Frank Wilczek avanzò provocatoriamente il concetto, altri ricercatori si affrettarono a dimostrare che non c’era modo di creare cristalli temporali.

In realtà, una scappatoia c’era, e alcuni ricercatori impegnati in un ramo completamente diverso della fisica hanno trovato un modo per sfruttarla. Monroe, fisico all’Università del Maryland a College Park, e il suo gruppo di ricercatori, hanno usato delle catene di atomi che avevano costruito per altri scopi per creare una versione di un cristallo temporale. “Direi che in un certo modo ci è piovuto dal cielo”, dice Monroe.

E un altro gruppo, diretto da ricercatori della Harvard University a Cambridge, in Massachusetts, ha modellato – in modo indipendente – dei cristalli temporali a partire da diamanti “sporchi”. Entrambe le versioni, pubblicate nei giorni scorsi su “Nature”, possono essere considerate dei cristalli temporali, ma non nel modo in cui li aveva originariamente immaginati Wilczek. “Sono meno strani dell’idea originaria, ma sono ancora dannatamente strani”, dice Norman Yao, fisico all’Università della California a Berkeley e coautore di entrambi gli articoli.

Ikon Images / AGF

Si tratta anche dei primi esempi di un tipo di materia davvero notevole: un insieme di particelle quantistiche che cambia costantemente, e non raggiunge mai uno stato stazionario.

Questi sistemi attingono stabilità dalle interazioni casuali che normalmente manderebbero in frantumi altri tipi di materia. “E’ un nuovo tipo di ordine, che prima si riteneva impossibile. Questo è estremamente eccitante “, dice Vedika Khemani, membro del team di Harvard e in precedenza anche del gruppo che ha originariamente teorizzato l’esistenza del nuovo tipo di stato della materia. I fisici sperimentali si stanno già dando da fare per capire come sfruttare le caratteristiche di questi strani sistemi nei computer quantistici e in sensori magnetici super-sensibili. (Vai all’infografica How to create a time crystal)

– Rottura di simmetria

Wilczek pensava ai cristalli temporali 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 questa simmetria. In un magnete, gli spin atomici sono allineati, invece di puntare in tutte le direzioni. In un cristallo minerale, gli atomi occupano posizioni nen definite nello spazio, e se vengono leggermente spostate il cristallo non è più lo stesso. Quando una trasformazione fa sì che le proprietà cambiano, i fisici parlano di rottura della simmetria, una rottura che si ritrova ovunque in natura: è alla base del magnetismo, dalla superconduttività e anche del meccanismo di Higgs che conferisce una massa a tutte le particelle.

Nel 2012 Wilczek, oggi all’Università di Stoccolma, si chiedeva perché la simmetria non si rompesse mai spontaneamente nel tempo, e se fosse possibile creare qualcosa che lo facesse. Chiamò questo qualcosa cristallo temporale. I fisici sperimentali hanno immaginato una versione quantistica di questa entità immaginando un anello di atomi che ruota senza fine, tornando ciclicamente alla sua configurazione iniziale.

Le sue proprietà sarebbero per sempre sincronizzate nel tempo, proprio come in un cristallo le posizioni atomiche sono correlate fra loro. Il sistema sarebbe nel suo stato energetico più basso, ma il suo movimento non richiederebbe alcuna forza esterna. Sarebbe, in sostanza, un moto perpetuo, anche se non produrrebbe un’energia utilizzabile.

“Di primo acchito si direbbe che in questa idea ci debba essere qualcosa di sbagliato”, dice Yao. Quasi per definizione, un sistema nel suo stato di energia più bassa non varia nel tempo. Altrimenti vorrebbe dire che aveva dell’energia in eccesso da perdere, dice Yao, e la rotazione si fermerebbe molto presto. “Ma Frank ha convinto la comunità scientifica che il problema era più sottile di quanto sembrasse”, dice Yao. Il moto perpetuo non è privo di precedenti nel mondo dei quanti: in teoria, i superconduttori conducono l’elettricità per sempre (anche se il flusso è uniforme, così da non mostrare variazioni nel tempo).

Frank Wilczek ha ricevuto il premio Nobel nel 2004. (The Nobel Foundation 2004. Foto: Hans Mehlin)

Queste prospettive fra loro in conflitto affollavano la testa di Haruki Watanabe al termine del suo primo colloquio per conseguire il dottorato a Berkeley. Aveva presentato una ricerca sulla rottura della simmetria nello spazio, e il suo supervisore gli ha chiesto quali fossero in generale le implicazioni sul cristallo temporale di Wilczek. “All’esame non ho saputo rispondere alla domanda, ma il problema mi interessava”, dice Watanabe, che che aveva messo in dubbio la possibilità di una tale entità. “Mi sono chiesto, ‘come posso convincere gli altri che non è possibile?'”

Con il fisico Masaki Oshikawa dell’Università di Tokyo, Watanabe ha così iniziato a cercare di dimostrare la sua risposta intuitiva in modo matematicamente rigoroso. Articolando il problema in termini di correlazioni nello spazio e nel tempo tra parti distanti del sistema, nel 2015 i due hanno derivato un teorema secondo cui era impossibile creare i cristalli temporali in qualsiasi sistema che fosse nel suo stato di energia minima. I ricercatori hanno anche verificato che i cristalli temporali erano impossibili in qualsiasi sistema in equilibrio, ossia che si trovassero in uno stato energetico stabile.

Per la comunità dei fisici la situazione era chiara. “Sembrava esserci uno stop”, dice Monroe. Ma la dimostrazione lasciava aperta una scappatoia: non escludeva l’esistenza di cristalli temporali in sistemi che non si trovassero in uno stato stabile e fossero fuori equilibrio. In tutto il mondo, i teorici hanno così iniziato a pensare possibili modi per creare versioni alternative dei cristalli temporali.

– Una zuppa di particelle

Quando la svolta è arrivata, è successo in un settore della fisica improbabile, in cui i ricercatori non pensavano affatto ai cristalli temporali.

Shivaji Sondhi, fisico teorico all’Università di Princeton, e i suoi colleghi, stavano studiando ciò che accade quando certi sistemi quantistici isolati, costituiti da una “zuppa” di particelle interagenti, vengono ripetutamente sollecitati.

I manuali di fisica dicono che i sistemi dovrebbero scaldarsi e diventare caotici. Ma nel 2015, il gruppo di Sondhi ha previsto che, in determinate condizioni, dovrebbero invece aggregarsi per formare una fase della materia che non esiste nello stato di equilibrio, un sistema di particelle che mostrerebbero le correlazioni sottili mai visto prima e che potrebbe ripetere nel corso del tempo uno schema.

Questa ipotesi ha attirato l’attenzione di Chetan Nayak, che era stato studente di Wilczek e ora lavora all’Università della California a Santa Barbara e al centro di ricerche “Station Q” della Microsoft. Nayak e alcuni suoi colleghi ben presto si sono resi conto che questa strana forma di materia fuori equilibrio poteva essere anche un tipo di cristallo temporale, sia pure non del tipo di Wilczek: non si troverebbe nel suo stato di energia minima, e richiederebbe un impulso regolare. Ma raggiungerebbe un ritmo costante che non corrisponde a quello imputabile all’impulso, e questo significa che verrebbe spezzeata la simmetria temporale.

“E’ come se, giocando con una corda per saltare, in qualche modo il nostro braccio facesse due giri, ma la corda ne compiesse solo uno”, dice Yao. E’ un tipo di rottura della simmetria più debole di quello immaginato da Wilczek: nella sua rottura la corda oscillerebbe da sola.

Quando Monroe hanno sentito parlare di questo ipotetico sistema, all’inizio non riusciva a capirlo, ma “più leggevo su di esso, più mi incuriosiva”, dice.

L’anno scorso, si è messo a cercare di creare un cristallo temporale con i suoi atomi. La ricetta è incredibilmente complessa, ma solo tre ingredienti sono essenziali: una forza che perturbi ripetutamente le particelle, un modo per far interagire tra loro gli atomi e un elemento di disturbo casuale. La combinazione di questi fattori, dice Monroe, assicura che per le particelle vi sia un limite all’energia che possono assorbire, permettendo loro di mantenere uno stato stazionario ordinato.

Nel suo esperimento, questo significa attivare sparare con due laser alternati a una catena di dieci ioni di itterbio: il primo laser inverte il loro spin e il secondo fa sì che gli spin interagiscono tra loro in modo casuale. Questa combinazione induce gli spin atomici a oscillare, ma al doppio del periodo in cui vengono invertiti.

Non solo, i ricercatori hanno scoperto che, anche quando iniziavano a invertire il sistema in modo imperfetto, per esempio cambiando leggermente la frequenza degli impulsi, l’oscillazione rimaneva la stessa. “Il sistema resta bloccato a una frequenza molto stabile”, dice Monroe. I cristalli spaziali sono anch’essi resistenti a qualsiasi tentativo di spingere i loro atomi a una distanza differente dalla loro, dice Monroe. “Con questi cristalli temporali è lo stesso.”

Parte della catena di ioni di itterbio e, sopra, schema delle loro interazioni. (Cortesia Chris Monroe, University of Maryland)

Mikhail Lukin, fisico ad Harvard, ha provato a fare qualcosa di simile, ma in un sistema molto diverso, un frammento 3D di diamante. Il minerale è stato crivellato con circa 1 milione di difetti, ciascuno dotato di un certo spin. Le impurità del diamante fornivano un disordine naturale. Quando Lukin e la sua squadra hanno usato degli impulsi a microonde per capovolgere gli spin, hanno visto il sistema di rispondere a una frazione della frequenza con cui era stato disturbato.

I fisici concordano sul fatto che i due sistemi rompono spontaneamente un tipo simmetria temporale e quindi, matematicamente, soddisfano i criteri di cristallo temporale, anche se si è aperta una discussione sull’opportunità di chiamarli così. “Si tratta di uno sviluppo interessante, ma in qualche modo l’uso di questo termine è un po’ un abuso”, dice Oshikawa.

Secondo Yao i nuovi sistemi sono cristalli temporali, anche se la definizione andrebbe ristretta per evitare di includere fenomeni già ben compresi e non così interessanti per i fisici quantistici.

Ma le creazioni Monroe e Lukin sono entusiasmanti anche per altri motivi, dice Yao. Sembrano i primi, e forse i più semplici, esempi di una serie di nuove fasi che esistono negli stati fuori equilibrio, finora poco esplorati. E potrebbero anche avere diverse applicazioni pratiche. Per esempio, sistemi di simulazione quantistici che funzionano a temperature elevate.

I fisici usano spesso particelle quantistiche entangled a temperature di pochi nanokelvin, ossia vicine allo zero assoluto, per simulare comportamenti complessi di materiali che non possono essere modellati su un computer classico.I cristalli temporali rappresentano un sistema quantistico stabile a temperature molto più elevate – nel caso del diamante di Lukin, a temperatura ambiente – che oitrebbe aprire le porte a simulazioni quantistiche che non richiedono la criogenia.

I cristalli temporali potrebbero anche trovare impiego in sensori di superprecisi, dice Lukin. Il suo laboratorio sfrutta già ora difetti nel diamante per rilevare piccole variazioni di temperatura e nei campi magnetici. Ma l’approccio ha dei limiti, perché se vengono inseriti troppi difetti in un piccolo spazio, le loro interazioni distruggono i loro fragili stati quantici. In un cristallo temporale, invece, le interazioni aiutano a stabilizzarli, e non a distruggerli. Lukin potrebbe così sfruttare milioni di difetti per produrre un segnale forte, un segnale capace di riconoscere efficientemente cellule viventi e materiali dello spessore atomico.

Lo stesso principio di stabilità da interazioni potrebbe trovare applicazioni anche più ampie nell’informatica quantistica, dice Yao. I computer quantistici sono grande promessa, ma si trovano a dover combattere con la sfida opposta: proteggere i fragili bit quantistici che eseguono calcoli, mantenendoli al contempo accessibili per la codifica e la lettura delle informazioni. “In prospettiva possiamo chiederci se è possibile trovare fasi nelle quali le interazioni stabilizzano questi bit quantistici”, dice Yao.

La storia di cristalli temporali è un bellissimo esempio di come possa realizzarsi un progresso quando filoni di pensiero diversi si uniscono, dice Roderich Moessner, direttore del Max-Planck Institut per la fisica dei sistemi complessi a Dresda, in Germania. E’ possibile, dice, che questa particolare ricetta si dimostri solo uno di tanti modi per creare cristalli temporali.

Elizabeth Gibney

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su Nature l’8 marzo 2017. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)

Le Scienze.it

Alla ricerca dei cristalli temporali ultima modifica: 2017-03-27T10:57:18+00:00 da Richard
About the Author
Richard

Noi siamo l’incarnazione locale di un Cosmo cresciuto fino all’autocoscienza. Abbiamo incominciato a comprendere la nostra origine: siamo materia stellare che medita sulle stelle. (Carl Sagan)