Un cristallo temporale fatto di atomi giganti

Il nuovo cristallo temporale risponde a uno stato della materia estremamente esotico.

All’Università Tsinghua in Cina, con il supporto dell’Università Tecnica di Vienna, è stato creato un tipo di cristallo del tempo composto da atomi giganti.

Il team ha utilizzato luce laser e tipi speciali di atomi, in particolare atomi di Rydberg, con un diametro diverse centinaia di volte più grande del normale. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Physics.

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 si pose la domanda: potrebbe esistere anche un cristallo del tempo, un oggetto che si ripete non nello spazio, ma nel tempo? E potrebbe essere possibile che si crei 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 suscitò molte polemiche. Alcuni consideravano i cristalli del tempo impossibili in linea di principio, mentre altri cercavano di trovare scappatoie e creare cristalli del tempo in determinate condizioni speciali.

ROTTURA SPONTANEA DELLA SIMMETRIA Anche il ticchettio di un orologio è un esempio di movimento periodico nel tempo. Tuttavia, ciò non avviene da solo: qualcuno deve aver caricato l’orologio e averlo avviato a una certa ora. Questa ora di inizio determina quindi la tempistica dei tick.

Nel caso di un cristallo temporale le cose stanno diversamente: secondo l’idea di Wilczek dovrebbe sorgere spontaneamente una periodicità, anche se in realtà non esiste alcuna differenza fisica tra i diversi punti del tempo.

“La frequenza del ticchettio è predeterminata dalle proprietà fisiche del sistema, ma i tempi in cui si verifica il ticchettio sono del tutto casuali; questo è noto come rottura spontanea della simmetria”, spiega il professor Thomas Pohl dell’Istituto di fisica teorica dell’Università Tecnica di Vienna.

Pohl è stato responsabile della parte teorica della ricerca che ha portato ora alla scoperta di un cristallo temporale presso l’Università di Tsinghua (Cina): una luce laser è stata puntata su un contenitore di vetro riempito con un gas di atomi di rubidio. È stata misurata l’intensità del segnale luminoso che raggiunge l’altra estremità del contenitore.

“Si tratta in realtà di un esperimento statico in cui al sistema non viene imposto alcun ritmo specifico”, spiega Pohl. “Le interazioni tra la luce e gli atomi sono sempre le stesse, il raggio laser ha un’intensità costante. Ma, sorprendentemente, si è scoperto che l’intensità che raggiunge l’altra estremità della cella di cristallo inizia a oscillare secondo schemi molto regolari.”

La chiave dell’esperimento è stata preparare gli atomi in un modo speciale: gli elettroni di un atomo possono percorrere percorsi diversi attorno al nucleo, a seconda della quantità di energia di cui dispongono. 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 si creano atomi con un guscio elettronico gigante, i cosiddetti atomi di Rydberg.

“Se gli atomi nel nostro contenitore di vetro vengono preparati in questi stati di 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 scegli la luce laser in modo tale che possa eccitare due diversi stati Rydberg in ciascun atomo contemporaneamente, generi un ciclo di feedback che causa ” oscillazioni spontanee tra i due stati atomici Ciò, a sua volta, porta anche all’assorbimento della luce oscillante.”

Da soli, gli atomi giganti inciampano secondo un ritmo regolare, e questo ritmo si traduce nel ritmo dell’intensità della luce che raggiunge l’estremità del contenitore di vetro.

“Abbiamo creato un nuovo sistema che fornisce una potente piattaforma per approfondire la nostra comprensione del fenomeno dei cristalli temporali in un modo che si avvicina molto all’idea originale di Frank Wilczek”, afferma Pohl.

“Oscillazioni precise e autosufficienti potrebbero essere utilizzate per i sensori, ad esempio. Gli atomi giganti con stati di Rydberg sono già stati utilizzati con successo per tali tecniche in altri contesti.”

 
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