Cristalli normali, piace il diamante, sono un reticolo atomico che si ripete nello spazio, ma i fisici di recente hanno suggerito di creare materiali che si ripetono nel tempo. L'anno scorso, Norman Yao di UC Berkeley ha abbozzato le fasi che circondano un cristallo temporale e cosa misurare per confermare che questo nuovo materiale è in realtà una fase stabile della materia. Ciò ha stimolato due squadre a costruire un cristallo del tempo, i primi esempi di una forma di materia non in equilibrio.

Per la maggior parte delle persone, i cristalli significano il diamante bling, gemme semipreziose o forse le frastagliate ametista o i cristalli di quarzo amati dai collezionisti.

A Norman Yao, questi cristalli inerti sono 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 anche i cristalli non possono avere una struttura che si ripete nel tempo? Questo è, un cristallo del tempo?

In un articolo pubblicato online la scorsa settimana sulla rivista Lettere di revisione fisica , l'Università della California, L'assistente professore di fisica di Berkeley descrive esattamente come creare e misurare le proprietà di un tale cristallo, e prevede persino quali dovrebbero essere le varie fasi che circondano il cristallo temporale, simili alle fasi liquida e gassosa del ghiaccio.

Questa non è mera speculazione. Due gruppi hanno seguito il progetto di Yao e hanno già creato i primi cristalli temporali. I gruppi dell'Università del Maryland e dell'Università di Harvard hanno riportato i loro successi, utilizzando due configurazioni completamente diverse, nei documenti pubblicati online l'anno scorso, e hanno inviato i risultati per la pubblicazione. Yao è coautore di entrambi gli articoli.

I cristalli del tempo si ripetono nel tempo perché vengono calciati periodicamente, un po' come toccare ripetutamente Jell-O per farlo oscillare, ha detto Yao. La grande svolta, lui discute, è tanto meno che questi particolari cristalli si ripetono nel tempo quanto che sono i primi di una grande classe di nuovi materiali che sono intrinsecamente fuori equilibrio, incapace di stabilirsi nell'equilibrio immobile di, Per esempio, un diamante o un rubino.

"Questa è una nuova fase della materia, periodo, ma è anche molto bello perché è uno dei primi esempi di materia non in equilibrio, " Yao ha detto. "Per l'ultimo mezzo secolo, abbiamo esplorato la materia dell'equilibrio, come metalli e isolanti. Stiamo iniziando solo ora ad esplorare un nuovo panorama di materia non in equilibrio".

Mentre Yao è difficile immaginare un uso per un cristallo temporale, altre fasi proposte di materia non in equilibrio teoricamente promettono come memorie quasi perfette e potrebbero essere utili nei computer quantistici.

Una catena di itterbio

Il cristallo temporale creato da Chris Monroe e dai suoi colleghi dell'Università del Maryland utilizza una linea conga di 10 ioni itterbio i cui spin elettronici interagiscono, simile ai sistemi qubit testati come computer quantistici. Per mantenere gli ioni fuori equilibrio, i ricercatori li colpiscono alternativamente con un laser per creare un campo magnetico efficace e un secondo laser per capovolgere parzialmente gli spin degli atomi, ripetendo la sequenza molte volte. Poiché gli spin hanno interagito, gli atomi si stabilirono in una stalla, pattern ripetitivo di spin flipping che definisce un cristallo.

I cristalli temporali sono stati proposti per la prima volta nel 2012 dal premio Nobel Frank Wilczek, e l'anno scorso i fisici teorici della Princeton University e della Station Q dell'UC Santa Barbara hanno dimostrato in modo indipendente che un tale cristallo potrebbe essere realizzato. Secondo Yao, il gruppo UC Berkeley era "il ponte tra l'idea teorica e l'implementazione sperimentale".

Dal punto di vista della meccanica quantistica, gli elettroni possono formare cristalli che non corrispondono alla simmetria di traslazione spaziale sottostante dell'ordinato, matrice tridimensionale di atomi, ha detto Yao. Questo rompe la simmetria del materiale e porta a proprietà uniche e stabili che definiamo un cristallo.

Un cristallo temporale rompe la simmetria temporale. In questo caso particolare, il campo magnetico e il laser che guidano periodicamente gli atomi di itterbio producono una ripetizione nel sistema al doppio del periodo dei driver, qualcosa che non accadrebbe in un sistema normale.

"Non sarebbe super strano se facessi oscillare la gelatina e scoprissi che in qualche modo ha risposto in un periodo diverso?" ha detto Yao. "Ma questa è l'essenza del cristallo temporale. Hai un driver periodico che ha un periodo 'T', ma il sistema in qualche modo si sincronizza in modo da osservare il sistema oscillare con un periodo maggiore di 'T'."

Yao ha lavorato a stretto contatto con Monroe mentre il suo team del Maryland realizzava il nuovo materiale, aiutandoli a concentrarsi sulle proprietà importanti da misurare per confermare che il materiale era in realtà un cristallo temporale stabile o rigido. Yao ha anche descritto come il cristallo del tempo avrebbe cambiato fase, come un cubetto di ghiaccio che si scioglie, sotto diversi campi magnetici e pulsazioni laser.

Il team di Harvard, guidato da Mikhail Lukin, impostare il suo cristallo temporale utilizzando centri vacanti di azoto densamente confezionati nei diamanti.

"Risultati così simili ottenuti in due sistemi estremamente disparati sottolineano che i cristalli temporali sono un'ampia nuova fase della materia, non semplicemente una curiosità relegata a sistemi piccoli o strettamente specifici, " ha scritto Phil Richerme, dell'Università dell'Indiana, in un pezzo prospettico che accompagna l'articolo pubblicato su Physical Review Letters. "L'osservazione del cristallo temporale discreto... conferma che la rottura della simmetria può verificarsi essenzialmente in tutti i regni naturali, e apre la strada a diverse nuove vie di ricerca".

Yao sta continuando il suo lavoro sui cristalli temporali mentre esplora la teoria alla base di altri materiali di non equilibrio nuovi ma non ancora realizzati.