I fisici hanno appena compiuto un passo straordinario verso dispositivi quantistici che suonano come qualcosa di fantascientifico: gruppi isolati di particelle che si comportano come stati bizzarri della materia noti come cristalli temporali sono stati collegati in un unico sistema in evoluzione che potrebbe essere incredibilmente utile nell’informatica quantistica.
Dopo la prima osservazione dell’interazione tra due cristalli temporali, dettagliata in un documento pubblicato due anni fa, questo è il passo successivo verso l’utilizzo dei cristalli temporali per scopi pratici, come l’elaborazione di informazioni quantistiche.
I cristalli temporali, scoperti e confermati ufficialmente solo pochi anni fa, nel 2016, una volta si pensava fossero fisicamente impossibili. Sono una fase della materia molto simile ai normali cristalli, ma con una proprietà aggiuntiva, peculiare e molto speciale.
Nei cristalli regolari, gli atomi sono disposti in una struttura a griglia fissa e tridimensionale, come il reticolo atomico di un diamante o di un cristallo di quarzo. Questi reticoli ripetuti possono differire nella configurazione, ma qualsiasi movimento che esibiscono deriva esclusivamente da spinte esterne.
Nei cristalli temporali, gli atomi si comportano in modo leggermente diverso. Esibiscono schemi di movimento nel tempo che non possono essere spiegati così facilmente da una spinta esterna. Queste oscillazioni, denominate “ticchettio”, sono bloccate su una frequenza regolare e particolare.
Teoricamente, i cristalli temporali ticchettano al loro stato energetico più basso possibile, chiamato stato fondamentale, e sono quindi stabili e coerenti per lunghi periodi di tempo. Quindi, dove la struttura dei cristalli regolari si ripete nello spazio, nei cristalli temporali si ripete nello spazio e nel tempo, esibendo così un movimento perpetuo nello stato fondamentale.
“Tutti sanno che le macchine a moto perpetuo sono impossibili“, afferma il fisico e autore principale Samuli Autti della Lancaster University nel Regno Unito. “Tuttavia, nella fisica quantistica il moto perpetuo funziona finché teniamo gli occhi chiusi (cioè non effettuiamo misurazioni). Intrufolandoci attraverso questa crepa possiamo creare cristalli temporali“.
I cristalli temporali con cui il team ha lavorato sono costituiti da quasiparticelle chiamate magnoni. I Magnoni non sono vere particelle, ma consistono in un’eccitazione collettiva dello spin degli elettroni, come un’onda che si propaga attraverso un reticolo di spin.
I Magnoni emergono quando l’elio-3 – un isotopo stabile dell’elio con due protoni ma un solo neutrone – viene raffreddato entro un decimillesimo di grado dallo zero assoluto. Questo crea quello che viene chiamato superfluido di fase B, un fluido a viscosità zero con bassa pressione.
In questo mezzo, i cristalli temporali si formano come condensati di Bose-Einstein spazialmente distinti, ciascuno costituito da un trilione di quasiparticelle di Magnoni.
Un condensato di Bose-Einstein è formato da bosoni raffreddati solo di una frazione sopra lo zero assoluto (ma non raggiungendo lo zero assoluto, a quel punto gli atomi smettono di muoversi). Questo li fa sprofondare nel loro stato di energia più bassa, muovendosi estremamente lentamente e avvicinandosi abbastanza da sovrapporsi, producendo una nuvola di atomi ad alta densità che agisce come un “super atomo” o onda di materia.
Quando ai due cristalli del tempo è stato permesso di toccarsi, si sono scambiati i magnoni. Questo scambio ha influenzato l’oscillazione di ciascuno dei cristalli temporali, creando un unico sistema con la possibilità di funzionare in due stati discreti.
Nella fisica quantistica, gli oggetti che possono avere più di uno stato esistono in un mix di questi stati prima che siano fissati da una misurazione chiara. Quindi avere un cristallo temporale che opera in un sistema a due stati fornisce nuove ricchezze come base per le tecnologie quantistiche.
I cristalli temporali sono ancora lontanio dall’essere distribuiti come qubit, poiché ci sono un numero significativo di ostacoli da risolvere prima. Ma i pezzi stanno cominciando ad andare a posto.
All’inizio di quest’anno, un diverso team di fisici ha annunciato di aver creato con successo cristalli temporali a temperatura ambiente che non hanno bisogno di essere isolati dall’ambiente circostante.
Le interazioni più sofisticate tra i cristalli temporali, e il loro controllo fine, dovranno essere ulteriormente sviluppate, così come l’osservazione dei cristalli temporali che interagiscono senza la necessità di superfluidi raffreddati. Ma gli scienziati sono ottimisti.
“Si scopre che mettere insieme due di loro funziona magnificamente, anche se i cristalli temporali non dovrebbero esistere“, afferma Autti. “E sappiamo già che esistono anche a temperatura ambiente“.
La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications .
