Un team dell'Università TU di Dortmund è recentemente riuscito a produrre un cristallo temporale altamente durevole che ha vissuto milioni di volte più a lungo di quanto fosse stato dimostrato in esperimenti precedenti. In questo modo hanno confermato un fenomeno estremamente interessante che il premio Nobel Frank Wilczek aveva ipotizzato circa dieci anni fa e che aveva già trovato spazio nei film di fantascienza.

I risultati sono stati pubblicati su Nature Physics .

I cristalli o, per essere più precisi, i cristalli nello spazio, sono disposizioni periodiche di atomi su scale di grandi dimensioni. Questa disposizione conferisce ai cristalli il loro aspetto affascinante, con sfaccettature lisce come nelle pietre preziose.

Poiché la fisica spesso tratta lo spazio e il tempo sullo stesso piano, ad esempio nella relatività speciale, Frank Wilczek, fisico del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e vincitore del Premio Nobel per la fisica, ha postulato nel 2012 che, oltre a cristalli nello spazio, devono esserci cristalli anche nel tempo.

Affinché ciò avvenga, ha detto, una delle loro proprietà fisiche dovrebbe iniziare spontaneamente a cambiare periodicamente nel tempo, anche se il sistema non subisce un'interferenza periodica corrispondente.

Che tali cristalli temporali potessero essere possibili è stato oggetto di controverso dibattito scientifico per diversi anni, ma è arrivato rapidamente al cinema:ad esempio, un cristallo temporale ha avuto un ruolo centrale nel film Avengers:Endgame (2019) dei Marvel Studios.

Dal 2017 in poi, gli scienziati sono effettivamente riusciti in una manciata di occasioni a dimostrare un potenziale cristallo temporale. Si trattava però di sistemi che, a differenza dell'idea originale di Wilczek, sono sottoposti ad un'eccitazione temporale con una periodicità specifica, ma poi reagiscono con un altro periodo due volte più lungo.

Un cristallo che si comporta periodicamente nel tempo, sebbene l'eccitazione sia indipendente dal tempo, cioè costante, è stato dimostrato solo nel 2022 in un condensato di Bose-Einstein. Tuttavia, il cristallo sopravvisse solo per pochi millisecondi.

I fisici di Dortmund, guidati dal Dr. Alex Greilich, hanno ora progettato uno speciale cristallo fatto di arseniuro di indio e gallio, in cui gli spin nucleari fungono da serbatoio per il cristallo del tempo. Il cristallo è continuamente illuminato in modo che si formi una polarizzazione dello spin nucleare attraverso l'interazione con gli spin degli elettroni. Ed è proprio questa polarizzazione dello spin nucleare che poi genera spontaneamente oscillazioni, equivalenti ad un cristallo del tempo.

Lo stato degli esperimenti al momento è che la vita del cristallo è di almeno 40 minuti, ovvero 10 milioni di volte più lunga di quanto dimostrato fino ad oggi, e potenzialmente potrebbe vivere molto più a lungo.

È possibile variare il periodo del cristallo entro ampi intervalli modificando sistematicamente le condizioni sperimentali. Tuttavia è anche possibile spostarsi in zone in cui il cristallo "si scioglie", cioè perde la sua periodicità.

Anche queste aree sono interessanti, poiché si manifesta un comportamento caotico, che può essere mantenuto per lunghi periodi di tempo.

Questa è la prima volta che gli scienziati sono riusciti a utilizzare strumenti teorici per analizzare il comportamento caotico di tali sistemi.

Ulteriori informazioni: A. Greilich et al, Robusto cristallo a tempo continuo in un sistema di spin elettrone-nucleare, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02351-6

Informazioni sul giornale: Fisica della Natura

Fornito dall'Università TU Dortmund