Un cristallo che può piegare il tempo

L’atomo di Rydberg contiene un elettrone lontano dal nucleo. Credito immagine: Università della Tecnologia di Vienna

I ricercatori sono riusciti a creare uno stato della materia molto strano, in cui il diametro dei suoi atomi è cento volte più grande del suo diametro normale.

I cristalli del tempo, proposti dal premio Nobel Frank Wilczek nel 2012, sono stati ora creati con successo utilizzando atomi di Rydberg e luce laser presso l’Università di Tsinghua in Cina, con il supporto teorico dell’Università di Tecnologia di Vienna in Austria. Questo nuovo stato della materia non si replica nello spazio come i cristalli tradizionali, ma nel tempo, esibendo ritmi periodici spontanei senza stimoli esterni, fenomeno noto come rottura spontanea della simmetria.

Un cristallo è una disposizione di atomi ripetuta nello spazio, a intervalli regolari: in ogni punto il cristallo appare esattamente uguale. Nel 2012, il premio Nobel Frank Wilczek ha sollevato la domanda: potrebbe esistere anche un cristallo del tempo, un oggetto che si ripete non nello spazio ma nel tempo? È possibile che si crei un ritmo periodico, anche se al sistema non viene imposto alcun ritmo specifico e l’interazione tra le particelle è completamente indipendente dal tempo?

Per anni l’idea di Frank Wilczek ha suscitato molte polemiche. Alcuni consideravano i cristalli temporali impossibili in linea di principio, mentre altri cercavano di trovare scappatoie e ottenere cristalli temporali in determinate condizioni speciali. Ora, un tipo particolarmente sorprendente di cristallo temporale è stato creato con successo presso l’Università Tsinghua in Cina, con il supporto dell’Università di Tecnologia di Vienna in Austria. Il team ha utilizzato luce laser e tipi di atomi molto speciali, gli atomi di Rydberg, con un diametro diverse centinaia di volte più grande del normale. I risultati sono stati ora pubblicati su una rivista Fisica della natura.

Rottura automatica della simmetria

Anche il ticchettio di un orologio è un esempio di movimento periodico del tempo. Tuttavia, non accadono spontaneamente: qualcuno deve aver caricato l’orologio e averlo avviato ad una certa ora. Questa ora di inizio determina quindi la tempistica dei battiti. Diverso è il caso della cristallizzazione del tempo: secondo l’idea di Wilczek, la periodicità dovrebbe sorgere spontaneamente, anche se non esiste alcuna differenza fisica tra i diversi punti del tempo.

“La frequenza dei clic è predeterminata dalle proprietà fisiche del sistema, ma i tempi in cui avviene il clic sono del tutto casuali; questo è noto come rottura spontanea della simmetria”, spiega il professor Thomas Pohl dell’Istituto di fisica teorica dell’Università di Vienna. Tecnologia.

Un sistema statico basato su un input continuo di luce produce segnali periodici dipendenti dal tempo. Copyright: Università della Tecnologia di Vienna

Thomas Paul è stato responsabile della parte teorica del lavoro di ricerca che ha portato alla scoperta di un cristallo temporale presso l’Università Tsinghua in Cina: la luce laser è stata riflessa su un contenitore di vetro riempito con un gas di atomi di rubidio. È stata misurata l’intensità del segnale luminoso che raggiunge l’altra estremità del contenitore.

“Si tratta in realtà di un esperimento costante in cui al sistema non viene imposto alcun ritmo specifico”, spiega Thomas Paul. “Le interazioni tra la luce e gli atomi sono sempre le stesse, il raggio laser ha un’intensità costante ma ciò che sorprende è l’intensità che raggiunge l’altra estremità della cella di vetro.” “Comincia a oscillare secondo schemi molto regolari.”

Atomi giganti

La chiave dell’esperimento è stata quella di preparare gli atomi in un modo speciale: gli elettroni sono stati preparati in… mais Gli atomi possono orbitare attorno al nucleo seguendo percorsi diversi, a seconda di quanta energia hanno. Se si aggiunge energia all’elettrone più esterno di un atomo, la distanza tra questo e il nucleo atomico può diventare molto grande. In casi estremi, la distanza tra esso e il nucleo può essere diverse centinaia di volte maggiore del normale. In questo modo vengono creati atomi con gusci elettronici giganti, i cosiddetti atomi di Rydberg.

“Se gli atomi nel nostro barattolo di vetro vengono preparati in tali stati di Rydberg e il loro diametro diventa enorme, anche le forze tra questi atomi diventano molto grandi”, spiega Thomas Paul. “Questo a sua volta cambia il modo in cui si interagisce con il laser. Se si sceglie la luce laser in modo tale che sia in grado di eccitare contemporaneamente due diversi stati Rydberg in ciascun atomo, si crea un circuito di feedback che provoca oscillazioni spontanee. tra i due stati atomici questo a sua volta provoca anche l’assorbimento della luce oscillatoria”. Da soli, gli atomi giganti ruotano con un ritmo regolare, e questo ritmo si traduce nel ritmo dell’intensità della luce che raggiunge l’estremità del contenitore di vetro.

“Abbiamo creato qui un nuovo sistema che fornisce una potente piattaforma per approfondire la nostra comprensione del fenomeno dei cristalli temporali in un modo che si avvicina molto all’idea originale di Frank Wilczek”, afferma Thomas Paul. “Oscillazioni precise e autosufficienti potrebbero essere utilizzate per i sensori, ad esempio. Gli atomi giganti con stati di Rydberg sono già stati utilizzati con successo per tali tecniche in altri contesti.”

Riferimento: “Cristallizzazione temporale dissipativa in un gas Rydberg fortemente interagente” di Xiaoling Wu, Chuqing Wang, Fan Yang, Ruochen Gao, Zhao Liang, Meng Khun Te, Xiangliang Li, Thomas Paul e Li Yu, 2 luglio 2024, Fisica della natura.
DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9