I cristalli temporali sono un particolare stato della materia che si ripete periodicamente nel tempo anziché nello spazio. A differenza dei cristalli comuni, i cui atomi sono disposti in un reticolo spaziale fisso, un cristallo temporale mostra un movimento o una configurazione che si ripete a intervalli regolari e stabili, anche senza stimoli esterni, comportandosi come un “orologio” che ticchetta per conto suo.
Cristalli temporali: l’orologio della natura diventa realtà
Nel 2012, il premio Nobel Frank Wilczek propose una domanda affascinante: la simmetria che ordina gli atomi in un cristallo ordinario potrebbe rompersi anche nel tempo, dando vita a una struttura che “batte” perpetuamente al proprio ritmo? Più di un decennio dopo, questa visione si avvicina notevolmente alla realtà grazie alle recenti scoperte.
I ricercatori della Tsinghua University, in collaborazione con i teorici del Politecnico di Vienna, hanno osservato il vapore di rubidio stabilizzarsi su un ritmo simile a quello ipotizzato da Wilczek. Il professor Thomas Pohl dell’Istituto di Fisica Teorica della TU Wien, coautore del nuovo studio, ha sottolineato come questo risultato avvicini notevolmente il concetto di cristallo temporale alla sua realizzazione pratica.
Un cristallo temporale si distingue per la sua ripetizione nel tempo anziché nello spazio, infrangendo l’uniformità dell’orologio proprio come un fiocco di neve rompe l’uniformità di un lago. La persistenza di questo ritmo, definita rottura spontanea della simmetria, permette allo schema di mantenersi autonomamente, senza alcuna forzatura esterna.
Le prove di laboratorio sui cristalli temporali sono progredite rapidamente, dalle prime dimostrazioni di cristalli a tempo discreto tramite trappola ionica nel 2017 fino ai lavori sulla cavità ottica che hanno mostrato versioni continue nel 2022. Tuttavia, le piattaforme precedenti presentavano limitazioni significative, come la necessità di temperature estremamente basse o tempi di vita brevi, spingendo i fisici a cercare un banco di prova più efficiente.
Il nuovo sistema basato sul rubidio opera a temperatura ambiente e può funzionare per centinaia di millisecondi, un intervallo di tempo sufficiente per osservare migliaia di oscillazioni. Questa robustezza trasforma una semplice cella di vetro in un vero e proprio laboratorio per esplorare questioni fondamentali riguardanti le fasi di non equilibrio della materia. Come ha osservato Pohl: “La frequenza del ticchettio è predeterminata dalle proprietà fisiche del sistema, ma gli istanti in cui si verifica il ticchettio sono completamente casuali“. Questa affermazione evidenzia l’auto-regolazione dell’orologio del cristallo, che funziona senza alcun direttore nascosto.
Gli atomi di Rydberg e i cristalli temporali
L’esperimento si è basato su un elemento fondamentale: gli atomi di Rydberg. Si tratta di atomi di rubidio il cui elettrone più esterno è stato “sollevato” così lontano dal nucleo da gonfiare l’atomo a un diametro di circa un micron, all’incirca la larghezza di un capello umano o 0,00004 pollici. Questi atomi ingranditi generano campi elettrici esagerati, permettendo loro di interagire reciprocamente su distanze molto maggiori delle loro dimensioni effettive, legando il gas in una comunità fortemente interconnessa. Poiché gli atomi sono confinati in una cella di vapore sigillata, subiscono una perdita pressoché nulla, evitando il problema dell’evaporazione che spesso affligge le nubi ultrafredde.
Il team di ricerca ha manipolato ogni atomo usando due laser calibrati per eccitare simultaneamente due distinti livelli di Rydberg. Questa configurazione ha generato una sorta di “tira e molla” intrinseco: un livello poteva prosperare solo a discapito dell’altro. Questa dinamica ha prodotto un’oscillazione a ciclo limite che si è manifestata come un’increspatura nella luce trasmessa.
Similmente a una folla che applaude fino a trovare un ritmo comune, gli atomi si sono sincronizzati su un unico battito. Questo ritmo è rimasto coerente nella fase per almeno 80 periodi, che rappresenta la finestra temporale massima tracciabile dai rilevatori. Sebbene l’intensità o la frequenza dei laser non siano cambiate durante l’esperimento, la luce trasmessa ha oscillato con un intervallo di pochi microsecondi. Questa auto-organizzazione è la caratteristica distintiva di un cristallo temporale continuo.
L’analisi di Fourier dei dati single-shot ha rivelato chiari picchi spettrali intervallati in base alla frequenza di oscillazione fondamentale. All’inizio di ogni analisi, i picchi si spostavano prima di stabilizzarsi in un insieme stabile, segnalando il momento in cui il cristallo si è bloccato in un ordine temporale a lungo raggio. La funzione di autocorrelazione, un metodo standard per verificare l’ordine, è rimasta piatta per decine di cicli una volta che la deriva si è stabilizzata.
Questo plateau dimostra che il pattern non si dissolve nel tempo, un requisito cruciale per affermare che si è verificata una vera rottura di simmetria e non un semplice tremolio transitorio. Quando il fascio della sonda è stato intenzionalmente perturbato con un rumore di intensità casuale, il cristallo ha ignorato le deboli perturbazioni. Solo a livelli di rumore elevati il contrasto dell’oscillazione diminuiva, e anche in quel caso la frequenza fondamentale rimaneva stabile fino a quando il segnale non scompariva nel rumore di fondo.
Il modello teorico dietro i cristalli temporali
I teorici sanno che un singolo livello di Rydberg accoppiato a un laser tende a stabilizzarsi in uno stato stazionario o in una coppia bistabile di stati stazionari. Tuttavia, l’aggiunta di un secondo livello modifica profondamente la matematica sottostante. Thomas Pohl e i suoi colleghi hanno modellato il gas utilizzando equazioni di campo medio, che tengono conto delle forze di van der Waals a lungo raggio tra gli atomi giganti. I loro calcoli dimostrano che, non appena entrambi i livelli assorbono sufficiente potenza laser, il sistema attraversa una biforcazione di Hopf, passando da punti fissi a un ciclo limite. Questo diagramma di fase sperimentale ha confermato pienamente le loro previsioni teoriche.
Questo risultato sottolinea un tema ricorrente nella ricerca sui cristalli temporali: le interazioni tra molti corpi creano una misurazione del tempo collettiva che una singola particella non potrebbe mai eguagliare. Le revisioni del settore evidenziano come questo comportamento cooperativo estenda le idee di ordine e transizioni di fase a contesti dissipativi e guidati. Nel nuovo sistema, questa competizione si verifica su scala millimetrica, ben oltre le dimensioni dei singoli atomi, rendendola visibile con l’ottica standard e fornendo agli ingegneri una visione pratica dei parametri.
Poiché il vapore di rubidio opera a temperatura ambiente, questa configurazione può essere facilmente integrata in chip microfabbricati, insieme a guide d’onda o circuiti a microonde. Ciò apre la strada allo sviluppo di sensori compatti capaci di leggere i “battiti” dei cristalli temporali in tempo reale. Studi recenti hanno già dimostrato come i vapori di Rydberg possano essere usati per rilevare campi a radiofrequenza con sensibilità estreme. Le oscillazioni persistenti e in fase bloccata promettono segnali a basso rumore di fase, utili per il recupero dell’orologio, la spettroscopia di precisione e persino la rilevazione delle onde gravitazionali, dove qualsiasi oscillatore auto-riferito potrebbe fungere da riferimento di fase.
Dal punto di vista teorico, i ricercatori hanno ora a disposizione una piattaforma ideale per mappare diagrammi di fase che includono regimi stazionari, bistabili e a cristallo temporale. Mappare come ogni regione si dissolve sotto l’effetto del rumore o cambia sotto un’eccitazione periodica potrebbe testare le proposte per i cristalli a tempo discreto che appaiono solo sotto eccitazione pulsata. Estendere il concetto della cella a vapore a due o tre dimensioni potrebbe rivelare come la geometria spaziale influenzi l’ordine temporale, una questione ancora in gran parte inesplorata negli esperimenti.
Il cristallo a cella di vapore offre anche un laboratorio didattico vivente per la termodinamica di non equilibrio, mostrando come i sistemi scambiano energia ed entropia mantenendo uno schema temporale rigoroso. Le lezioni apprese qui potrebbero ispirare modelli di comportamento ritmico in reazioni chimiche, orologi biologici e persino cicli economici. Gli ingegneri che studiano le reti quantistiche si chiedono se le fasi dei cristalli temporali possano sincronizzare nodi remoti tramite fotoni condivisi, riducendo il sovraccarico delle operazioni di entanglement. Le interazioni Rydberg a lungo raggio e l’accessibilità ottica rendono la piattaforma al rubidio un caso di prova molto interessante per queste applicazioni.
Restano tuttavia aperte alcune questioni fondamentali. Non è ancora chiaro se possa esistere un cristallo temporale a sistema chiuso e realmente privo di dissipazione, o se sia sempre necessario un qualche accoppiamento con l’ambiente per stabilizzare il battito. Il lavoro attuale, come la maggior parte degli altri, si basa su un equilibrio tra “spinta” e “perdita”. Un’altra domanda riguarda come la coerenza quantistica, anziché le oscillazioni di popolazione classiche, si manifesti in un cristallo temporale continuo macroscopico. Esperimenti che accoppiano mezzi di Rydberg a cavità ad alta finezza potrebbero presto esplorare questo regime.
Lo studio è stato pubblicato su Nature Physics.
