I cristalli del tempo, originariamente proposti dal premio Nobel Frank Wilczek nel 2012, sono stati ora creati con successo utilizzando atomi di Rydberg e luce laser presso la Tsinghua University in Cina, con il supporto teorico della TU Wien in Austria. Questo nuovo stato della materia non si ripete nello spazio come i cristalli tradizionali, ma nel tempo, mostrando ritmi periodici spontanei senza uno stimolo esterno, un fenomeno noto come rottura spontanea della simmetria.
Cristalli del tempo: svolta con atomi giganti e luce laser
Un cristallo è una disposizione di atomi che si ripete nello spazio, a intervalli regolari: in ogni punto, il cristallo appare esattamente uguale. Nel 2012, il premio Nobel Frank Wilczek ha sollevato la questione: potrebbero esistere anche cristallo del tempo, oggetti che si ripetono non nello spazio ma nel tempo? E potrebbe essere possibile che emerga 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 causato molte controversie. Alcuni hanno considerato i cristalli del tempo impossibili in linea di principio, mentre altri hanno cercato di trovare scappatoie e realizzare cristalli del tempo in determinate condizioni speciali. Ora, un tipo di cristallo temporale particolarmente spettacolare è stato creato con successo alla Tsinghua University in Cina, con il supporto della TU Wien in Austria.
Il team ha utilizzato luce laser e tipi di atomi molto speciali, vale a dire atomi di Rydberg, con un diametro che è diverse centinaia di volte più grande del normale. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Physics.
Cristalli del tempo: il ticchettio “spontaneo” degli atomi giganti
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 avviato a un certo orario. Questo orario di avvio ha quindi determinato la tempistica dei ticchettii. È diverso con un cristallo temporale: secondo l’idea di Wilczek, una periodicità dovrebbe sorgere spontaneamente, sebbene in realtà non vi sia alcuna differenza fisica tra diversi punti nel tempo.
Il professor Thomas Pohl dell’Istituto di fisica teorica della TU Wien ha dichiarato: “La frequenza del tick è predeterminata dalle proprietà fisiche del sistema, ma i momenti in cui si verifica sono completamente casuali; questo è noto come rottura spontanea della simmetria”.
Thomas Pohl è stato responsabile della parte teorica del lavoro di ricerca che ha portato alla scoperta di un cristallo temporale presso la Tsinghua University in Cina: la luce laser è stata proiettata in un contenitore di vetro riempito con un gas di atomi di rubidio. È stata poi misurata la forza del segnale luminoso che arrivava all’altra estremità del contenitore.
Pohl ha spiegato: “Questo è in realtà un esperimento statico in cui non viene imposto alcun ritmo specifico al sistema. 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”.
Creati i primi cristalli del tempo
La chiave dell’esperimento è stata preparare gli atomi in un modo speciale: gli elettroni di un atomo possono orbitare attorno al nucleo su percorsi diversi, a seconda di quanta energia hanno. Se si aggiunge energia all’elettrone più esterno di un atomo, la sua distanza dal nucleo atomico può diventare molto grande. In casi estremi, può essere diverse centinaia di volte più lontano dal nucleo del solito. In questo modo, vengono creati atomi con un guscio elettronico gigante, i cosiddetti atomi di Rydberg.
Thomas Pohl ha affermato: “Se gli atomi nel nostro contenitore di vetro vengono preparati in tali stati di Rydberg e il loro diametro diventa enorme, allora anche le forze tra questi diventano molto grandi. E questo a sua volta cambia il modo in cui interagiscono con il laser. Se si sceglie la luce laser in modo tale che possa eccitare due diversi stati di Rydberg in ogni atomo allo stesso tempo, allora viene generato un ciclo di feedback che causa oscillazioni spontanee tra i due stati atomici. Questo a sua volta porta anche all’assorbimento oscillante della luce”.
Da soli, gli atomi giganti “inciampano” in un ritmo regolare, e questo ritmo viene tradotto nel ritmo dell’intensità della luce che arriva alla fine del contenitore di vetro.
Pohl ha poi concluso: “Abbiamo creato un nuovo sistema che fornisce una potente piattaforma per approfondire la nostra comprensione del fenomeno dei cristalli del tempo in un modo che si avvicina molto all’idea originale di Frank Wilczek. Oscillazioni precise e autosostenute potrebbero essere utilizzate per i sensori, ad esempio. Atomi giganti con stati di Rydberg sono già stati utilizzati con successo per tali tecniche in altri contesti”.
