I cristalli del tempo possono sembrare qualcosa di fantascientifico, avere più a che fare con i viaggi nel tempo o con il Dr. Who. Questi strani materiali, in cui atomi e molecole sono disposti nello spazio e nel tempo, sono in realtà del tutto reali, e stanno aprendo modi completamente nuovi di pensare alla natura della materia. Alla fine possono anche aiutare a proteggere le informazioni in dispositivi futuristici noti come computer quantistici.

Due gruppi di ricercatori con sede presso l'Università di Harvard e l'Università del Maryland riportano il 9 marzo sulla rivista Natura che hanno creato con successo i cristalli del tempo usando le teorie sviluppate all'Università di Princeton. Il team con sede ad Harvard comprendeva scienziati di Princeton che hanno svolto un ruolo fondamentale nell'elaborazione della comprensione teorica che ha portato alla creazione di questi cristalli esotici.

"Il nostro lavoro ha scoperto la fisica essenziale di come funzionano i cristalli del tempo, " disse Shivaji Sondhi, un professore di fisica di Princeton. "Inoltre, questa scoperta si basa su una serie di sviluppi a Princeton che affrontano il problema di come comprendiamo i sistemi complessi dentro e fuori l'equilibrio, che è di fondamentale importanza per il modo in cui i fisici spiegano la natura del mondo quotidiano."

Nel 2015, Sondhi e colleghi tra cui l'allora laureato Vedika Khemani, che ha conseguito il dottorato di ricerca a Princeton nel 2016 ed è ora junior fellow ad Harvard, così come i collaboratori Achilleas Lazarides e Roderich Moessner presso il Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems in Germania, pubblicò le basi teoriche su come i cristalli temporali, inizialmente considerati impossibili, potessero effettivamente esistere. Pubblicato sulla rivista Lettere di revisione di fisica nel giugno 2016, la carta ha stimolato conversazioni su come costruire tali cristalli.

Cristalli ordinari come diamanti, il quarzo o il ghiaccio sono costituiti da molecole che si dispongono spontaneamente in schemi tridimensionali ordinati. Gli atomi di sodio e cloro in un cristallo di sale, Per esempio, sono distanziati a intervalli regolari, formando un reticolo esagonale.

Nei cristalli del tempo, però, gli atomi sono disposti in schemi non solo nello spazio, ma anche nel tempo. Oltre a contenere un pattern che si ripete nello spazio, i cristalli temporali contengono uno schema che si ripete nel tempo. Un modo in cui ciò potrebbe accadere è che gli atomi nel cristallo si muovano a una certa velocità. Se esistesse un cristallo di ghiaccio del tempo, tutte le molecole d'acqua vibrerebbero ad una frequenza identica. Inoltre, le molecole lo farebbero senza alcun input dal mondo esterno.

Il concetto di cristalli temporali è nato dal fisico Frank Wilczek del Massachusetts Institute of Technology. Nel 2012, il premio Nobel ed ex membro della facoltà di Princeton stava pensando alle somiglianze tra spazio e tempo. Nel gergo della fisica, si dice che i cristalli "rompono la simmetria traslazionale nello spazio" perché gli atomi si assemblano in schemi rigidi piuttosto che essere distribuiti uniformemente, come sono in un liquido o in un gas. Non dovrebbero esserci anche cristalli che rompono la simmetria traslazionale nel tempo?

"Gli atomi si muovono nel tempo, ma invece di muoversi in modo fluido o continuo, si muovono in modo periodico, "Ha detto Sondhi. "Era un'idea interessante". Era anche un'idea che ha portato ad accesi dibattiti nelle riviste di fisica sulla possibilità che tali cristalli potessero esistere. La conclusione iniziale sembrava essere che non potevano, almeno non nelle impostazioni visualizzate da Wilczek.

Sondhi e Khemani stavano pensando a un problema completamente diverso nel 2015 quando hanno elaborato la teoria di come potrebbero esistere i cristalli temporali. Stavano esplorando domande su come gli atomi e le molecole si stabilizzano, o raggiungere l'equilibrio, per formare fasi di materia come i solidi, liquidi e gas.

Mentre era saggezza comune tra i fisici che tutti i sistemi alla fine si stabilizzassero, il lavoro durante l'ultimo decennio o giù di lì aveva messo in discussione tale nozione, in particolare tra atomi a temperature molto basse dove si applicano le regole della fisica quantistica. Ci si è resi conto che esistono sistemi che non vanno mai in equilibrio a causa di un fenomeno chiamato "localizzazione a molti corpi, " che si verifica a causa del comportamento di molti atomi in un sistema quantistico disordinato che si influenzano a vicenda.

Il lavoro in questo settore è una lunga tradizione di Princeton. Il primo e fondamentale concetto di come i sistemi quantistici possono essere localizzati quando sono disordinati, chiamata localizzazione Anderson, derivato dal lavoro di Philip Anderson, un professore di Princeton e premio Nobel, nel 1958. Questo lavoro è stato esteso nel 2006 a sistemi di molti atomi dall'allora professore di Princeton Boris Altshuler, borsista post-dottorato Denis Basko, e Igor Aleiner della Columbia University.

Durante un anno sabbatico al Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems in Germania, Sondhi e Khemani si resero conto che queste idee su come impedire ai sistemi di raggiungere l'equilibrio avrebbero consentito la creazione di cristalli temporali. Un sistema in equilibrio non può essere un cristallo temporale, ma i sistemi di non equilibrio possono essere creati frusciando periodicamente, o "guida, " un cristallo facendo brillare un laser sui suoi atomi. Con grande sorpresa dei ricercatori, i loro calcoli hanno rivelato che sollecitare periodicamente gli atomi che si trovavano in fasi localizzate a molti corpi di non equilibrio avrebbe fatto sì che gli atomi si muovessero a una velocità due volte più lenta, o il doppio del periodo, rispetto alla velocità iniziale con cui venivano sollecitati.

Spiegare, Sondhi ha paragonato la guida del sistema quantistico alla spremitura periodica su una spugna. "Quando rilasci la spugna, ti aspetti che riprenda la sua forma. Immagina ora che riprenda la sua forma solo dopo ogni seconda compressione anche se stai applicando la stessa forza ogni volta. Questo è ciò che fa il nostro sistema, " Egli ha detto.

Curt von Keyserlingk, ricercatore post-dottorato di Princeton, che ha contribuito ad ulteriori lavori teorici con Khemani e Sondhi, disse, "Abbiamo spiegato come i sistemi dei cristalli temporali si bloccano nelle oscillazioni persistenti che indicano una rottura spontanea della simmetria di traslazione del tempo". Il lavoro aggiuntivo dei ricercatori della Stazione Q di Microsoft e dell'Università della California-Berkeley ha portato a un'ulteriore comprensione dei cristalli temporali.

Come risultato di questi studi teorici, due gruppi di sperimentatori hanno iniziato a tentare di costruire cristalli temporali in laboratorio. Il team di Harvard, che includeva Khemani ad Harvard e von Keyserlingk a Princeton, ha utilizzato una configurazione sperimentale che prevedeva la creazione di un reticolo artificiale in un diamante sintetico. Un approccio diverso all'Università del Maryland ha utilizzato una catena di particelle cariche chiamate ioni itterbio. Entrambe le squadre hanno ora pubblicato il lavoro questa settimana in Natura .

Entrambi i sistemi mostrano l'emergere del comportamento cristallino del tempo, disse Christopher Monroe, un fisico che ha guidato lo sforzo presso l'Università del Maryland. "Sebbene tutte le applicazioni per questo lavoro siano lontane nel futuro, questi esperimenti ci aiutano a imparare qualcosa sul funzionamento interno di questo stato quantistico molto complesso, " Egli ha detto.

La ricerca potrebbe eventualmente portare a idee su come proteggere le informazioni nei computer quantistici, che può essere disturbato dall'interferenza del mondo esterno. La localizzazione a molti corpi può proteggere le informazioni quantistiche, secondo una ricerca pubblicata nel 2013 dal team di Princeton di David Huse, il professore di fisica Cyrus Fogg Brackett, così come Sondhi e i colleghi Rahul Nandkishore, Vadim Oganesyan e Arijeet Pal. La ricerca fa luce anche sui modi per proteggere le fasi topologiche della materia, ricerca per la quale F. Duncan Haldane di Princeton, il Professore di Fisica Eugene Higgins, condiviso il Premio Nobel 2016 per la Fisica.

Sondhi ha detto che il lavoro affronta alcune delle domande più fondamentali sulla natura della materia. "Si pensava che se un sistema non si stabilizza e non raggiunge l'equilibrio, non potresti davvero dire che è in una fase. È un grosso problema quando puoi dare una definizione di una fase della materia quando la materia non è in equilibrio, " Egli ha detto.

Questa impostazione fuori equilibrio ha permesso la realizzazione di nuove ed eccitanti fasi della materia, secondo Khemani. "La creazione dei cristalli temporali ci ha permesso di aggiungere una voce nel catalogo dei possibili ordini nello spazio-tempo, prima ritenuto impossibile, " ha detto Chemani.

Gli articoli "Observation of discrete time-cristall order in a disordinato sistema dipolare a molti corpi" e "Observation of a discrete time crystal" sono stati pubblicati il ​​9 marzo da Natura .