Gli scienziati hanno compiuto un importante passo avanti nel campo della fisica quantistica producendo un cristallo temporale con una durata di vita milioni di volte più lunga di quella ottenuta in precedenza. Questa scoperta conferma la previsione teorica dei cristalli temporali fatta dal premio Nobel Frank Wilczek nel 2012, dimostrando il comportamento periodico in un sistema senza influenza esterna periodica.
I ricercatori sono riusciti a prolungare la vita dei cristalli del tempo, confermando il concetto teorico proposto da Frank Wilczek. Ciò rappresenta un importante passo avanti nella fisica quantistica.
Un team dell'Università TU di Dortmund è recentemente riuscito a produrre un cristallo temporale estremamente resistente che vive milioni di volte più a lungo di quanto fosse stato dimostrato in esperimenti precedenti. In tal modo hanno confermato un fenomeno molto interessante, postulato dal premio Nobel Frank Wilczek circa dieci anni fa e che ha già trovato la sua strada nei film di fantascienza. I risultati sono stati ora pubblicati in Fisica della natura.
Un risultato pionieristico nella ricerca sui cristalli temporali
I cristalli, o più precisamente i cristalli nello spazio, sono disposizioni periodiche di atomi su scale di grande lunghezza. Questa disposizione conferisce ai cristalli il loro aspetto raffinato, con sfaccettature lisce come nelle pietre preziose.
Poiché la fisica spesso tratta lo spazio e il tempo allo stesso livello, ad esempio nella relatività speciale, Frank Wilczek, fisico del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e premio Nobel per la fisica, ha ipotizzato nel 2012 che inoltre, per i cristalli nello spazio , devono esserci anche cristalli nel tempo. Affinché ciò avvenga, ha affermato, una delle sue proprietà fisiche deve iniziare a cambiare spontaneamente periodicamente nel tempo, anche se il sistema non sperimenta simili interferenze periodiche.
Ciò che assomiglia a una fiamma è la misurazione del nuovo cristallo temporale: ogni punto corrisponde a un valore sperimentale, che porta a diverse visioni della dinamica periodica della polarizzazione dello spin nucleare del cristallo temporale. Fonte immagine: Alex Grealish/TU Dortmund
Comprendere i cristalli del tempo
La possibilità dell'esistenza di tali cristalli temporali è stata oggetto di controversi dibattiti scientifici per diversi anni, ma ha raggiunto rapidamente i cinema: ad esempio, il cristallo temporale ha avuto un ruolo centrale nel film Avengers: Endgame (2019) dei Marvel Studios. Dal 2017 in poi gli scienziati sono già riusciti in alcune occasioni a dimostrare un possibile cristallo temporale.
Il dottor Alex Grealish lavora presso il Centro per la ricerca sulla materia condensata presso il Dipartimento di Fisica della TU Dortmund. Credito: TU Dortmund
Tuttavia questi sistemi – contrariamente all'idea originale di Wilczek – erano sottoposti ad eccitazione temporale con una periodicità specifica, ma poi reagivano con un altro periodo due volte più lungo. Un cristallo che si comporta periodicamente nel tempo, anche se l'eccitazione è indipendente dal tempo, cioè costante, è stato dimostrato solo nel 2022 in un condensatore Bose-Einstein. Tuttavia, il cristallo è sopravvissuto solo per pochi millisecondi.
Salto nel tempo, longevità del cristallo
I fisici di Dortmund guidati dal dottor Alex Grelich 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 la polarizzazione dello spin nucleare sia formata dall'interazione con lo spin dell'elettrone. È proprio questa polarizzazione dello spin nucleare che genera spontaneamente oscillazioni, l'equivalente di un cristallo del tempo.
Lo stato degli esperimenti al momento dice che il cristallo ha una durata di vita di almeno 40 minuti, ovvero 10 milioni di volte più lunga di quanto dimostrato finora, e probabilmente vivrà molto più a lungo.
È possibile variare il periodo di cristallizzazione su larga scala modificando sistematicamente le condizioni sperimentali. È però possibile anche spostarsi in zone dove il cristallo “si scioglie”, cioè perde la sua periodicità. Anche queste regioni sono interessanti, poiché poi emerge 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.
Riferimento: “Strong Continuous Time Crystal in the nuclear Electron Spin System” di A. Greilich, NE Kopteva, AN Kamenskii, PS Sokolov, VL Korenev e M. Bayer, 24 gennaio 2024, Fisica della natura.
doi: 10.1038/s41567-023-02351-6
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