Un cristallo temporale è una fase unica ed esotica della materia predetta per la prima volta dal fisico americano Frank Wilczek nel 2012. I cristalli temporali sono analoghi temporali dei cristalli spaziali più convenzionali, in quanto entrambi si basano su strutture caratterizzate da pattern ripetuti.

Invece di formare schemi ripetitivi nello spazio tridimensionale (3D), come fanno i cristalli spaziali, i cristalli temporali sono caratterizzati da cambiamenti nel tempo che si verificano secondo uno schema prestabilito. Mentre alcuni gruppi di ricerca sono stati in grado di realizzare queste fasi esotiche della materia, finora, queste realizzazioni sono state ottenute solo utilizzando sistemi chiusi. Ciò ha sollevato la questione se i cristalli temporali potessero essere realizzati anche in sistemi aperti, in presenza di dissipazione e decoerenza.

I ricercatori dell'Istituto di fisica laser dell'Università di Amburgo hanno recentemente realizzato per la prima volta un cristallo temporale in un sistema quantistico aperto. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , potrebbe avere importanti implicazioni per lo studio di fasi esotiche della materia nei sistemi quantistici.

"L'obiettivo primario della nostra ricerca è quello di indagare le fasi dinamiche della materia note per come le loro proprietà cambiano nel tempo in maniera ordinata, "Hans Kessler, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Durante i miei studi di dottorato, io e i miei colleghi abbiamo studiato la transizione di fase da un BEC omogeneo a una fase super-radiante auto-ordinata e stavamo studiando come il sistema reagisce su un quench da uno stato stazionario a un altro".

Poiché nessuno stato fisico è intrinsecamente stabile, il passo successivo per la precedente ricerca svolta da Keßler e dai suoi colleghi è stato quello di indagare le fasi dinamiche della materia. Si tratta essenzialmente di transizioni attraverso le quali i materiali cambiano le loro proprietà nel tempo.

L'obiettivo principale del recente studio dei ricercatori era realizzare un cristallo temporale dissipativo in un ambiente di laboratorio. Per fare questo, hanno usato un sistema quantistico a molti corpi fortemente accoppiato a una cavità ottica a banda stretta.

"Era fondamentale per i nostri esperimenti che il campo luminoso all'interno del risonatore e la densità del sistema a molti corpi si evolvessero sullo stesso piano, che è data dalla larghezza di banda della cavità e dalla frequenza corrispondente ad un singolo rinculo fotonico, rispettivamente, " ha spiegato Keßler. "Questa situazione è unica nel nostro sistema atomo-cavità e apre la possibilità di studiare le fasi dinamiche della materia".

Poiché i sistemi fisici reali non sono mai completamente isolati dall'ambiente circostante, sono suscettibili di dissipazione (cioè, perdita o spreco di energia). Ciò rende difficile o impossibile realizzare sistemi quantistici che siano veramente chiusi per periodi di tempo arbitrari. Questo è ciò che alla fine ha ispirato Keßler e i suoi colleghi a tentare invece la realizzazione di un cristallo temporale in un sistema quantistico aperto.

"Finora, i cristalli temporali che sono stati dimostrati in vari gruppi hanno richiesto un attento isolamento dall'ambiente, poiché la dissipazione ha l'effetto indesiderabile di "sciogliere" quei cristalli temporali, " ha detto Keßler. "La cosa unica del cristallo temporale nella nostra configurazione atomo-cavità è il suo ruolo positivo nell'impedire la dissipazione, in quanto aiuta a stabilizzare la dinamica del sistema. La dimostrazione dell'ordine cristallino del tempo in un sistema aperto è quindi il risultato più importante del nostro studio".

Il recente studio di questo team di ricercatori offre una forte evidenza che un cristallo temporale discreto può esistere in un sistema atomo-cavità guidato e aperto. Keßler ei suoi colleghi stanno ora cercando di realizzare un cristallo temporale continuo utilizzando lo stesso sistema atomo-cavità che hanno usato nel loro lavoro recente.

La differenza chiave tra questo cristallo temporale dissipativo continuo e il cristallo temporale dissipativo discreto realizzato come parte del loro recente studio è che il primo oscilla anche in assenza di un azionamento temporale. Per effetto di questa oscillazione, il nuovo cristallo che stanno studiando rompe spontaneamente una continua simmetria di traslazione temporale.

"Come abbiamo proposto per lo scenario delineato nel nostro recente documento, il nostro sistema atomo-cavità passerà a uno stato della materia caratterizzato da oscillazioni periodiche a una frequenza intrinseca, " Ha aggiunto Keßler. "La fase relativa delle oscillazioni in un tale cristallo temporale dovrebbe assumere qualsiasi valore compreso tra 0 e 2 pi. Questo è molto diverso dai cristalli a tempo discreto, in cui la relativa fase può essere solo 0 o pi greco. In un modo, un cristallo a tempo continuo è più vicino a un cristallo solido in quanto entrambi rompono la simmetria continua.

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