I fisici di Harvard hanno creato una nuova forma di materia, chiamata cristallo temporale, che potrebbe offrire importanti spunti sul misterioso comportamento dei sistemi quantistici.

Tradizionalmente parlando, cristalli - come il sale, zucchero o persino diamanti - sono semplicemente disposizioni periodiche di atomi in un reticolo tridimensionale.

Cristalli del tempo, d'altra parte, prendi quella nozione di atomi disposti periodicamente e aggiungi una quarta dimensione, suggerendo che - in determinate condizioni - gli atomi che alcuni materiali possono esibire una struttura periodica nel tempo.

Guidato dai professori di fisica Mikhail Lukin e Eugene Demler, un team composto dai borsisti post-dottorato Renate Landig e Georg Kucsko, Junior Fellow Vedika Khemani, e studenti laureati del Dipartimento di Fisica Soonwon Choi, Joonhee Choi e Hengyun Zhou hanno costruito un sistema quantistico utilizzando un piccolo pezzo di diamante incastonato con milioni di impurità su scala atomica note come centri di azoto vacante (NV). Hanno quindi usato impulsi a microonde per "calciare" il sistema fuori equilibrio, facendo in modo che le rotazioni del centro NV si capovolgano a intervalli precisi:uno dei marcatori chiave di un cristallo temporale. Il lavoro è descritto in un articolo pubblicato su Natura a marzo.

Altri coautori dello studio sono Junichi Isoya, Shinobu Onoda, e Hitoshi Sumiya dell'Università di Tsukuba, Istituto di ricerca avanzata Takasaki e Sumitomo, Fedor Jelezko dell'Università di Ulm, Curt von Keyserlingk dell'Università di Princeton e Norman Y. Yao dell'Università di Berkeley.

Ma la creazione di un cristallo temporale non è significativa solo perché dimostra che i materiali precedentemente solo teorici possono esistere, Lukin ha detto, ma perché offrono ai fisici una finestra allettante sul comportamento di tali sistemi fuori equilibrio.

"C'è ora ampio, lavoro in corso per comprendere la fisica dei sistemi quantistici di non equilibrio, " ha detto Lukin. "Questa è un'area che è di interesse per molte tecnologie quantistiche, perché un computer quantistico è fondamentalmente un sistema quantistico lontano dall'equilibrio. È molto alla frontiera della ricerca... e stiamo davvero solo grattando la superficie".

Ma mentre la comprensione di tali sistemi di non equilibrio potrebbe aiutare i ricercatori a percorrere la strada verso l'informatica quantistica, la tecnologia alla base dei cristalli temporali potrebbe anche avere applicazioni più a breve termine.

"Un'area specifica in cui pensiamo che possa essere utile, e questa è stata una delle nostre motivazioni originali per questo lavoro, è nella misurazione di precisione, "Lukin ha detto. "Si scopre, se stai cercando di costruire... per esempio, un sensore di campo magnetico, puoi usare gli spin NV-center, " ha detto. "Quindi è possibile che questi stati di non equilibrio della materia che creiamo possano rivelarsi utili".

L'idea che tali sistemi potrebbero essere costruiti del tutto, però, inizialmente sembrava improbabile. Infatti diversi ricercatori (si chiamano Patrick Bruno, Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa) arrivò al punto di dimostrare che sarebbe stato impossibile creare un cristallo temporale in un sistema quantistico che fosse in equilibrio.

"La maggior parte delle cose intorno a noi sono in equilibrio, " Spiegò Lukin. "Ciò significa che se hai un corpo caldo e un corpo freddo, se li metti insieme, la loro temperatura si equalizzerà. Ma non tutti i sistemi sono così".

Uno degli esempi più comuni di materiale fuori equilibrio, Egli ha detto, è qualcosa che molte persone indossano quotidianamente:il diamante.

Una forma cristallizzata di carbonio che si forma sotto intenso calore e pressione, il diamante è insolito perché è metastabile, il che significa che una volta che adotta quella formazione cristallina, resterà così, anche dopo che il calore e la pressione sono stati rimossi.

È solo molto di recente, Lukin ha detto, che i ricercatori iniziarono a rendersi conto che i sistemi di non equilibrio, in particolare quelli noti come sistemi "guidati", che i ricercatori possono "calciare" con impulsi di energia periodici, può presentare le caratteristiche di un cristallo temporale.

Una di quelle caratteristiche, Egli ha detto, è che la risposta del cristallo nel tempo rimarrà robusta rispetto alle perturbazioni.

"Un cristallo solido è rigido... quindi se ci spingi sopra, forse la distanza tra gli atomi cambia un po', ma il cristallo stesso sopravvive, " ha detto. "L'idea di un cristallo temporale è di avere quel tipo di ordine in un dominio del tempo, ma deve essere robusto."

Un altro ingrediente importante è in genere se si continua a spingere un sistema lontano dall'equilibrio, questo inizia a riscaldarsi, ma risulta che esiste una classe di sistemi resistenti a questo riscaldamento, " ha aggiunto Lukin. "Si scopre che l'effetto del cristallo temporale è fortemente correlato a questa idea che un sistema è eccitato, ma non assorbe energia."

Per costruire un tale sistema, Lukin e colleghi hanno iniziato con un piccolo pezzo di diamante che era incastonato con così tanti centri NV che sembrava nero.

"Sottoponiamo quel diamante a impulsi a microonde, che cambiano l'orientamento degli spin dei centri NV, " ha spiegato Lukin. "In pratica prende tutti i giri che sono puntati verso l'alto e li abbassa, e un impulso successivo li fa tornare indietro."

Per testare la robustezza del sistema, Lukin e colleghi hanno variato i tempi degli impulsi per vedere se il materiale avrebbe continuato a rispondere come un cristallo temporale.

"Se non orienti tutte le rotazioni completamente verso l'alto o verso il basso ogni volta, poi molto rapidamente, ti ritroverai con un sistema completamente casuale, " ha detto Lukin. "Ma le interazioni tra i centri NV stabilizzano la risposta:costringono il sistema a rispondere in modo periodico, modo cristallino del tempo."

Tali sistemi potrebbero in definitiva essere fondamentali nello sviluppo di utili computer quantistici e sensori quantistici, Lukin ha detto, perché dimostrano che due componenti critiche - lunghi tempi di memoria quantistica e un'altissima densità di bit quantistici - non si escludono a vicenda.

"Per molte applicazioni vuoi entrambi, "Lukin ha detto. "Ma questi due requisiti sono solitamente contraddittori... questo è un problema ben noto. Il presente lavoro mostra che possiamo ottenere la combinazione desiderata. C'è ancora molto lavoro da fare, ma crediamo che questi effetti potrebbero consentirci di creare una nuova generazione di sensori quantistici, e potrebbe eventualmente avere altre applicazioni a cose come gli orologi atomici a lungo termine."