La ricerca per sviluppare la comprensione del comportamento cristallino del tempo nei sistemi quantistici ha preso un nuovo, colpo di scena emozionante.

Esperti di fisica delle Università di Exeter, Islanda, e ITMO University di San Pietroburgo, hanno rivelato che l'esistenza di veri cristalli temporali per sistemi quantistici chiusi è possibile.

A differenza di altri studi che fino ad oggi consideravano sistemi quantistici aperti di non equilibrio, dove la presenza di un impulso induce oscillazioni tempo-periodiche, i ricercatori hanno teoricamente trovato un sistema quantistico in cui le correlazioni temporali sopravvivono per un tempo infinitamente lungo.

Pubblicato in Lettere di revisione fisica come suggerimento della redazione il 20 novembre, lo studio potrebbe aprire la strada allo sviluppo del romanzo, applicazioni entusiasmanti, come un nuovo tipo di orologio atomico.

La nozione di cristallo temporale (TC) è stata avanzata per la prima volta dallo stimato premio Nobel per la fisica Frank Wilczek nel 2012. Il ruolo centrale nello stabilire il cristallo temporale come una nuova fase della materia corrisponde alla rottura della simmetria traslazionale del tempo.

Nella vita di tutti i giorni siamo circondati da solidi, dove atomi e molecole formano una struttura periodica lungo le coordinate spaziali. A differenza dei normali cristalli, come i diamanti, con proprietà definite da atomi che sono regolarmente disposti nello spazio, i cristalli temporali mostrano invece una modalità di comportamento in continua evoluzione che si ripete nel tempo.

Però, la stessa possibilità di rottura della simmetria traslazionale tempo si è rivelata notoriamente difficile in un sistema quantistico perfettamente isolato che rimane in equilibrio. In particolare, il teorema dimostrato da Haruki Watanabe e Masaki Oshikawa affermava che le versioni quantistiche dei cristalli temporali sono impossibili, a meno che:1) interazioni altamente non locali siano presenti in un vero sistema quantistico; o 2) viene considerato un sistema guidato.

In particolare, usando la seconda scappatoia, gli scienziati hanno dimostrato negli ultimi anni che è possibile produrre diverse varianti di cristalli temporali (in particolare i cristalli discreti o di tipo Floquet).

La domanda:"Si può realizzare il concetto originale di cristallo temporale?" rimase così nell'aria.

Nel nuovo studio, il gruppo di ricerca guidato da Oleksandr Kyriienko dell'Università di Exeter ha dimostrato che è possibile "bypassare" il teorema del no-go per l'esistenza dei cristalli quantistici del tempo, e che un vero e proprio ordine temporale cristallino è davvero possibile.

L'ingrediente chiave corrisponde alla ricerca dell'Hamiltoniano, un operatore che descrive l'energia di un sistema quantistico, che soddisfi pienamente le condizioni per il comportamento TC poste da Watanabe e Oshikawa.

Il team ha scoperto che il sistema che rompe la simmetria traslazionale del tempo possiede necessariamente interazioni multiparticellari (le cosiddette "stringhe") in cui almeno la metà delle particelle interagiscono simultaneamente.

La funzione di correlazione dello stato fondamentale associata mostra oscillazioni perpetue dovute all'accoppiamento tra due stati massimamente entangled corrispondenti agli stati felini di Schrodinger.

I risultati potrebbero aiutare ulteriormente gli scienziati a comprendere come si comportano gli stati condensati della materia, e gettare luce sulla fisica degli ordini dinamici.

Essendo il primo passo verso la rottura della continua simmetria tempo-traduzionale, lo studio attira l'attenzione su altri possibili sistemi quantistici in cui le interazioni a lungo raggio possono indurre dinamiche non banali.

Oleksandr Kyriienko ha detto:"Ora sappiamo che la simmetria traslazionale del tempo può essere rotta con interazioni altamente non locali. Possiamo migliorarlo e avere sistemi praticamente utili con interazioni ridotte in cui le correlazioni sopravvivono in tempi infiniti? Non lo so per certo, ma sono ansioso di scoprirlo".