Un atomo di Rydberg ha un elettrone che si trova lontano dal nucleo. Crediti: Tu Wien
Un cristallo è una struttura solida costituita da atomi con una disposizione regolare nello spazio. Nel 2012, il premio Nobel Frank Wilczek propose l’esistenza di un cristallo temporale, ossia di un oggetto che si ripete non nello spazio bensì nel tempo. Si tratta di un nuovo tipo di materia detta non-equilibrium matter che ha la peculiarità di non raggiungere mai l’equilibrio termico: si modifica costantemente nel tempo ma torna sempre nella configurazione iniziale alla fine di un periodo, dimostrando stabilità e resilienza alle perturbazioni.
Per anni l’idea di Wilczek ha suscitato molte polemiche. Alcuni consideravano i cristalli temporali impossibili in linea di principio, mentre altri cercavano di trovare delle scappatoie e di realizzarli in condizioni particolari. Le prime prove di osservazioni di cristalli temporali sono state pubblicate nel 2017 sulla rivista Nature. Ora, all’Università Tsinghua, in Cina, e con il supporto della Tu Wien, in Austria, è stato creato un tipo particolarmente spettacolare di cristallo temporale. Per farlo, i ricercatori hanno utilizzato la luce laser e atomi molto speciali, gli atomi di Rydberg, con un diametro diverse centinaia di volte superiore al normale. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Physics.
Anche il ticchettio di un orologio è un esempio di movimento temporalmente periodico. Tuttavia, non avviene da solo: qualcuno deve aver caricato l’orologio e averlo fatto partire a una certa ora. Questo momento iniziale determina la tempistica dei ticchettii. Con un cristallo temporale è diverso: secondo l’idea di Wilczek, la periodicità dovrebbe sorgere spontaneamente, anche se in realtà non c’è alcuna differenza fisica tra i diversi “punti” nel tempo.
«La frequenza del ticchettio è predeterminata dalle proprietà fisiche del sistema, ma i tempi in cui si verifica il ticchettio sono completamente casuali; questo è noto come rottura spontanea della simmetria», spiega Thomas Pohl dell’Istituto di Fisica Teorica della Tu Wien, responsabile degli aspetti teorici dello studio che ha portato alla scoperta di un cristallo temporale. La luce laser è stata diffusa in un contenitore di vetro riempito con un gas di atomi di rubidio ed è stata misurata l’intensità del segnale luminoso che arrivava all’altra estremità del contenitore.
«Si tratta di un esperimento statico in cui non viene imposto alcun ritmo specifico al sistema», spiega Pohl. «Le interazioni tra luce e atomi sono sempre le stesse, il raggio laser ha un’intensità costante. Ma sorprendentemente, si è scoperto che l’intensità che arriva all’altra estremità della cella di vetro inizia a oscillare secondo schemi altamente regolari».
Un sistema statico con un ingresso continuo di luce porta a segnali periodici dipendenti dal tempo. Crediti: Tu Wien
La chiave dell’esperimento è stata preparare gli atomi in modo particolare: gli elettroni di un atomo possono orbitare intorno al nucleo seguendo percorsi diversi, a seconda della loro energia. Se si fornisce energia all’elettrone più esterno, la sua distanza dal nucleo atomico può diventare molto grande. In casi estremi, può trovarsi a diverse centinaia di volte la distanza dal nucleo rispetto al solito. In questo modo si creano atomi con un guscio elettronico gigante, i cosiddetti atomi di Rydberg.
«Se gli atomi nel nostro contenitore di vetro sono predisposti in questi stati Rydberg e il loro diametro diventa enorme, anche le forze tra questi atomi diventano molto grandi», spiega Pohl. «E questo a sua volta cambia il modo in cui interagiscono con il laser. Se si sceglie la luce laser in modo che possa eccitare contemporaneamente due diversi stati di Rydberg in ogni atomo, si genera un circuito di retroazione che provoca oscillazioni spontanee tra i due stati atomici. Questo a sua volta porta all’assorbimento oscillante della luce». Da soli, gli atomi giganti incespicano a un ritmo regolare, che si traduce nel ritmo dell’intensità luminosa che arriva all’estremità del contenitore di vetro.
«Abbiamo creato un nuovo sistema che fornisce un potente banco di prova per approfondire la nostra comprensione del fenomeno dei cristalli temporali in un modo che si avvicina molto all’idea originale di Frank Wilczek», conclude Pohl. «Oscillazioni precise e autosostenute potrebbero essere utilizzate, ad esempio, per realizzare sensori. Gli atomi giganti con stati Rydberg sono già stati utilizzati con successo per tali tecniche in altri contesti».
Le applicazioni possibili dei cristalli temporali sono svariate e possono portare enormi miglioramenti, specialmente nello sviluppo di computer quantistici e orologi atomici, fondamentali anche in campo astrofisico.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Physics l’articolo “Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas” di Xiaoling Wu, Zhuqing Wang, Fan Yang, Ruochen Gao, Chao Liang, Meng Khoon Tey, Xiangliang Li, Thomas Pohl e Li You