I cristalli temporali sono uno dei concetti più sconvolgenti della fisica moderna, così sconvolgenti, infatti, che persino il loro nome sembra più a suo agio nella Terra di Mezzo che nella Terra reale.
Mentre gli atomi dei normali cristalli di tutti i giorni sono disposti secondo uno schema ripetuto nello spazio, i cristalli del tempo sono anche disposti secondo uno schema ripetuto nel tempo: essenzialmente, sono cristalli che esistono in una dimensione oltre la nostra tipica percezione 3D. “È un modo per avere la tua torta e mangiarla anche tu“, ha detto il premio Nobel statunitense Frank Wilczek, che per primo ha concepito i cristalli temporali nel 2012.
Creazione di cristalli temporali
I cristalli temporali vengono creati attraverso l’uso di atomi super-raffreddati (cioè condensati di Bose-Einstein) e laser. Anche se questa affascinante nuova fase della materia potrebbe avere applicazioni rivoluzionarie nel mondo dell’informatica quantistica, questi cristalli tendono a non sopravvivere a lungo. Nel 2022, ad esempio, gli scienziati dell’Università di Amburgo hanno osservato un cristallo temporale continuo, che però è durato solo pochi millisecondi.
Ora, i ricercatori dell’Università TU di Dortmund hanno creato un cristallo temporale continuo che è durato 10 milioni di volte di più, circa 40 minuti.
Per creare questo cristallo, il fisico della TU Dortmund Alex Greilich e il suo team hanno creato un cristallo di arseniuro di indio e gallio drogato con silicio (per via delle sue proprietà di semiconduttore). In questo cristallo, gli spin nucleari “agiscono come un serbatoio per il cristallo del tempo“, secondo il comunicato stampa dell’università. Una volta raffreddato a 6 Kelvin e colpito da un laser, si forma uno spin nucleare come risultato dell’interazione del laser con gli elettroni trattenuti in modo lasco.
Quindi, la polarizzazione dello spin nucleare crea oscillazioni simili a un cristallo temporale. Sorprendentemente, questa oscillazione ripetuta è durata ben 40 minuti, un ordine di grandezza molto maggiore di qualsiasi cristallo temporale continuo mai visto prima. I risultati di questo studio sono stati pubblicati a fine gennaio sulla rivista Nature.
Anche se 40 minuti sono un bel traguardo, potrebbero anche essere solo l’inizio di quanto a lungo potranno esistere questi tipi di cristalli temporali. Secondo ScienceAlert, questo cristallo non ha mostrato segni di decadimento nei 40 minuti in cui è esistito, il che implica che i cristalli temporali creati in futuro potrebbero durare per ore, o anche di più.
Bene, ottima notizia ma per cosa potremmo usare questi cristalli temporali?
Lavori precedenti hanno suggerito che i cristalli temporali potrebbero trovare applicazioni nel mondo dell’informatica quantistica, dove i cristalli temporali collegati agiscono come qubit. Come per molte scoperte sorprendenti, gli scienziati non sanno veramente quali usi potrebbero essere immaginati in futuro.
Cosa sono i cristalli temporali
In fisica, i cristalli temporali sono strutture che si ripetono periodicamente nel tempo, così come un normale cristallo tridimensionale si ripete periodicamente nello spazio. Questo, cioè, è un sistema che si modifica costantemente nel tempo ma torna sempre nella configurazione iniziale alla fine di un periodo. I cristalli temporali sono un nuovo tipo di materia detta “non-equilibrium matter“, che ha la peculiarità di non raggiungere mai l’equilibrio termico, dimostrando stabilità e resilienza alle perturbazioni. L’idea è stata proposta per la prima volta nel 2012 dal fisico Frank Wilczek e le prime prove di osservazioni di cristalli temporali sono state pubblicate nel 2017 sulla rivista Nature.
Possibili applicazioni
Sensori
Una possibile applicazione per i cristalli temporali è quella dei sensori ad alta precisione. Le impurità nei diamanti sono già utilizzate per la misura di minuscole variazioni di temperatura e di campo magnetico, ma questo approccio ha dei limiti, perché se c’è una densità troppo elevata di impurità, le loro interazioni distruggono il fragile sistema quantistico.
In un cristallo temporale, invece, le interazioni servono ad aumentare la stabilità del sistema. Se si accumulano milioni di impurità in un piccolo spazio, è possibile ottenere un segnale abbastanza forte da essere in grado di sondare in modo efficiente cellule viventi e materiali densi di atomi.
I cristalli temporali possono anche essere utilizzati per migliorare le misurazioni degli orologi atomici. Se questi orologi sono abbastanza sensibili, possono misurare anche le più piccole variazioni nei campi magnetici o gravitazionali, per esempio fornendo informazioni su tunnel e cavità nascoste nel sottosuolo. Orologi atomici in grado di fare ciò esistono già ma sono molto instabili, hanno bisogno di essere raffreddati a una temperature estremamente basse e devono essere tenuti completamente isolati dall’ambiente; condizioni estremamente precise irrealizzabili fuori da un laboratorio adeguatamente attrezzato.
Questo a causa del fatto che gli stati di coerenza quantistica sono di durata relativamente breve, perché le particelle quantistiche sono estremamente sensibili alle perturbazioni e si possono destabilizzare in fretta interagendo con l’ambiente. La minima variazione termica o perturbazione proveniente dall’ambiente circostante può causare la perdita di informazioni del sistema quantistico. È qui che entrano in gioco i cristalli temporali. La loro resilienza alle perturbazioni fa sì che il sistema si preservi nella sua condizione di stabilità, anche se lontano dalla condizione di equilibrio.
Una semplice illustrazione del concetto di allontanare qualcosa dall’equilibrio per aumentarne la stabilità è il noto trucco di far alzare una scopa rovesciata sul palmo della mano: se si tiene ferma la mano, la scopa è instabile e cadrà rapidamente, ma se si sposta la mano con il giusto periodo, si può rendere la scopa molto stabile e farla rimanere dritta all’infinito.
Questa applicazione dei time crystal potrebbe portare a orologi atomici molto più stabili e resistenti a perturbazioni dell’ambiente esterno e funzionanti a temperature più elevate, estendendo così la loro applicabilità anche al di fuori dei laboratori, come per esempio in campo militare.
Computer quantistici
Lo stesso principio di stabilità espresso finora può essere ampiamente applicato ai computer quantistici che si trovano a fronteggiare due sfide opposte tra loro: proteggere i fragili bit quantistici che eseguono i calcoli e mantenerli accessibili per la lettura e la scrittura di informazioni.
Una delle particolarità dei qubit è che agiscono in modo diverso quando osservati. Senza una sufficiente coerenza, qualsiasi dato trasmesso, creato o memorizzato in un sistema quantico potrebbe semplicemente svanire nel momento in cui si prova a guardarlo. La soluzione potrebbe essere la creazione di cristalli temporali in bit quantistici, in modo che “vogliano” essere coerenti. I cristalli temporali possono essere la chiave per creare un computer quantistico che non richieda temperature prossime allo zero per funzionare; infatti si è dimostrata possibile la loro creazione a temperatura ambiente.
