Sempre in movimento senza consumare energia
Per diversi mesi si è parlato del fatto che i ricercatori siano riusciti a creare cristalli temporali - strani cristalli la cui struttura atomica si ripete non solo nello spazio, ma anche nel tempo, il che significa che si muovono costantemente senza il dispendio di energia.
Ora è stato ufficialmente confermato: solo di recente i ricercatori hanno rivelato in dettaglio come creare e misurare questi strani cristalli. E due gruppi indipendenti di scienziati affermano di essere effettivamente riusciti a creare cristalli temporali in laboratorio, utilizzando le istruzioni fornite, confermando così l'esistenza di un tipo di materia completamente nuovo.
La scoperta può sembrare completamente astratta, ma annuncia l'inizio di una nuova era in fisica, perché per molti decenni abbiamo studiato solo la materia, che, per definizione, era "in equilibrio": metalli e isolanti.
Ma c'erano suggerimenti sull'esistenza nell'Universo di vari strani tipi di materia, che non sono in equilibrio e che non abbiamo nemmeno iniziato a studiare, compresi i cristalli del tempo. Ora sappiamo che questa non è finzione.
Il fatto stesso che ora abbiamo il primo esempio di materia di "non equilibrio" potrebbe portare a una svolta nella nostra comprensione del mondo che ci circonda, nonché di tecnologie come il calcolo quantistico.
“Questo è un nuovo tipo di materia, punto. Ma è anche interessante che questo sia uno dei primi casi di materia di "non equilibrio" ", afferma il ricercatore capo Norman Yao dell'Università della California, Berkeley.
“Per tutta la seconda metà del secolo scorso, abbiamo studiato la materia in equilibrio, come metalli e isolanti. E solo ora siamo entrati nel territorio della materia del "non equilibrio"."
Video promozionale:
Ma facciamo una pausa e guardiamo indietro, il concetto di cristalli temporali esiste da diversi anni.
Sono stati previsti per la prima volta dal teorico della fisica premio Nobel Frank Wilczek nel 2012. I cristalli temporali sono strutture che sembrano essere in movimento anche al minimo livello di energia noto come stato fondamentale o stato di riposo.
Di solito, se la materia è nello stato fondamentale, noto anche come stato di energia zero del sistema, significa che il movimento è teoricamente impossibile, perché richiede energia.
Ma Wilczek ha sostenuto che questo non si applica ai cristalli del tempo.
Nei cristalli ordinari, il reticolo atomico si ripete nello spazio, proprio come il reticolo di carbonio del diamante. Ma, come un rubino o uno smeraldo, non si muovono perché sono in equilibrio nel loro stato di base.
E nei cristalli temporali, la struttura si ripete anche nel tempo, non solo nello spazio. E quindi sono in movimento nello stato di base.
Immagina la gelatina. Se lo colpisci con il dito, inizierà a vibrare. La stessa cosa accade nei cristalli del tempo, ma la grande differenza è che non richiedono energia per muoversi.
Un cristallo del tempo è come una gelatina che vibra costantemente nel suo solito stato di base, e questo è ciò che lo rende un nuovo tipo di materia: materia "non in equilibrio". Che semplicemente non riesce a stare fermo.
Ma una cosa è prevedere l'esistenza di tali cristalli e un'altra è crearli effettivamente, che è quello che è successo nelle ultime ricerche.
Yao e il suo team hanno creato un diagramma dettagliato in cui hanno descritto in dettaglio come creare e misurare le caratteristiche di un cristallo del tempo, e persino prevedere quali dovrebbero essere le diverse fasi che circondano un cristallo del tempo, in altre parole, hanno descritto gli equivalenti di stati solidi, liquidi e gassosi di un nuovo tipo di materia.
Yao ha definito l'articolo pubblicato su Physical Review Letters "un ponte tra l'idea teorica e l'implementazione sperimentale".
E questa non è affatto speculazione. Seguendo le istruzioni di Yao, due gruppi indipendenti - uno dell'Università del Maryland e l'altro di Harvard - sono riusciti a creare i propri cristalli temporali.
I risultati di entrambi gli studi sono stati annunciati alla fine dell'anno scorso su arXiv.org (qui e qui) e sono stati inviati a riviste peer-reviewed per la pubblicazione. Yao è coautore di entrambi gli articoli.
In attesa delle pubblicazioni, vale la pena rimanere scettici sulle dichiarazioni. Ma il fatto stesso che due gruppi indipendenti siano riusciti a creare cristalli temporali usando lo stesso schema in condizioni completamente diverse sembra promettente.
All'Università del Maryland, i cristalli del tempo sono stati creati da una catena di 10 ioni di itterbio, tutti con spin di elettroni intrecciati.
La chiave per trasformare questa base in un cristallo del tempo era mantenere gli ioni in disequilibrio e, per fare ciò, venivano colpiti a turno da due laser. Un laser ha creato un campo magnetico, il secondo ha svolto parzialmente gli spin degli atomi.
Poiché gli spin degli atomi erano inizialmente impigliati, presto sono entrati nel modello stabile e ripetitivo di rotazione che definisce il cristallo.
Questo era normale, ma per diventare un cristallo del tempo, il sistema doveva rompere la simmetria nel tempo. Durante l'osservazione della catena di atomi di itterbio, i ricercatori hanno notato qualcosa di insolito.
Due laser, che colpivano periodicamente gli atomi di itterbio, causavano una ripetizione nel sistema con un periodo doppio rispetto al periodo degli "shock", che era esattamente ciò che non poteva verificarsi in un sistema normale.
"Non sarebbe molto strano se infilzassi la gelatina e scoprissi che reagisce con periodi di tempo diversi?" - spiega Yao.
“Ma questa è la natura del cristallo temporale. Hai una specie di agente patogeno con un periodo T, ma il sistema è in qualche modo sincronizzato e osservi il suo movimento con un periodo superiore a T."
A seconda del campo magnetico e della pulsazione del laser, il cristallo temporale potrebbe quindi cambiare fase, come un cubo che si scioglie.
Il cristallo di Harvard era diverso. I ricercatori l'hanno creato utilizzando i centri vacanti di azoto denso nel diamante, ma hanno ottenuto lo stesso risultato.
"Questi risultati simili da due sistemi molto diversi confermano che i cristalli temporali sono una forma diffusa di materia e non una caratteristica curiosa che si osserva solo in un piccolo sistema speciale", spiega Phil Rifermey dell'Indiana University in uno studio di accompagnamento. nota di lavoro, non ha partecipato allo studio, ma ha rivisto l'articolo.
"L'osservazione di questo unico cristallo di tempo … conferma che la rottura della simmetria può verificarsi in tutte le aree della natura, e questo apre nuove aree di ricerca".
Il diagramma di Yao è stato pubblicato su Physical Review Letters, e puoi leggere un articolo di Harvard sui cristalli temporali qui e un documento dell'Università del Maryland qui.
