Nuovo stato della materia: I cristalli temporali

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http://www.sciencealert.com/physicists-just-created-the-world-s-first-time-crystal

I fisici hanno creato il primo cristallo temporale.

7 ott. 2016

Il mese scorso  alcuni  fisici hanno creato  la migliore sperimentazione di laboratorio di   cristallo temporale; I cristalli temporali sono strutture ipotizzate a livello teorico, che hanno movimento senza energia, e che potrebbero tecnicamente esistere come oggetti fisici.

Quattro anni dopo che questi sono stati  ipotizzati,  gli scienziati  sono riusciti  per la prima volta ad aggiungere  ad un cristallo, una quarta dimensione, il movimento del tempo,  dandogli la capacità di agire come una specie di cronometro perpetuo .

Proposto originariamente dal  fisico teorico Frank Wilczek nel 2012, vincitore del premio nobel, i cristalli temporali sono strutture ipotetiche che sembrano avere movimento anche nel loro stato più basso di energia,   conosciuto come “stato fondamentale“.

Succedono cose strane quando alcuni oggetti come  cristalli e magneti entrano nel loro stato fondamentale e questo ha stuzzicato  per decenni i fisici. Essi infatti sembrano violare una legge fondamentale della fisica chiamata simmetria di traduzione temporale, e succede   quello che viene definito  come  stato fondamentale asimmetrico .

Il cristallo è  un altro esempio di oggetto fisico con uno stato fondamentale asimmetrico.

I cristalli sono conosciuti per le loro strutture che presentano  forme ripetute,  che in qualche modo  sembrano  uguali quando vengono  viste  da certe direzioni, mentre differiscono se  viste da altre angolazioni. I cristalli così come i magneti, risulteranno diversi a seconda da  dove  li si sta osservando.

Per poter dire che  qualche cosa ha uno stato fondamentale asimmetrico, essa deve raggiungere l’asimmetria mentre è ferma e  senza coinvolgimento di energia.

Pensando a questo, Wilczek ha proposto che fosse possibile creare un oggetto che raggiungeva uno stato fondamentale asimmetrico non attraverso lo spazio come fanno i cristalli o i magnetici normalmente, ma attraverso il tempo.

Come abbiamo spiegato precedentemente in termini molto semplici, Wilczek ha ipotizzato un oggetto che potesse raggiungere  movimenti perpetui ,mentre si trova nel suo stato fondamentale,  di energia-zero, passando periodicamente continuamente e infinitamente tra  diversi stati.

Egli sostiene che  è possibile costruire un tale oggetto mettendo cristalli ordinari in un superconduttore a bassa temperatura, perché i cristalli a basse temperature si allineano naturalmente.

“sembrerebbe ragionevole presupporre che gli atomi in questo tipo di cristalli possano concettualmente continuare a spostarsi e o ruotare e poi tornare al loro stato naturale, come sono soliti fare i cristalli mentre cercano uno stato di energia più basso. “ Ha spiegato Bob Yirka per Phys.org.

Ora un gruppo di ricercatori dell’università del Maryland ha provato a fare questo tipo di  esperimento e sembra che effettivamente funzioni.

Come spiega il rapporto del MIT, in teoria il processo è abbastanza semplice, si deve solo cercare di creare un sistema quantistico, dove si “trattiene” un gruppo di ioni in una forma ad anello, e poi  si devono raffreddare al loro stato di energia più basso.

Quindi si può  vedere che  se il sistema di simmetria si rompe, le leggi della fisica prevedono che l’anello resti perfettamente stazionario, senza nessuna energia per muoversi, ma se si rompe il sistema di simmetria temporale in questo stato fondamentale, allora l’anello può variare, o ruotare periodicamente nel tempo.

“Certo non sarebbe  possibile estrarre energia  e violare la legge di conservazione di energia da questo tipo di movimento”  sostiene  TEch Review “ma la rottura della simmetria temporale si manifesterebbe  come  ripetizione del movimento nel tempo, proprio  come la  rottura della simmetria spaziale si manifesta  come ripetizione delle forme nello spazio.

Se le cose fossero così semplici Wilczek avrebbe costruito  il sistema nel 2012. Ma c’è un problema, perché le particelle quantiche   tendono  a pulsare  dentro e fuori  delle posizioni nello spazio (non sono localizzate nello spazio) e  non sono influenzate da varianti che dipendono dal tempo,  questo significa che non evolvono nel tempo.

Il primo passo  fatto dalla università del Maryland  è stato quello di trovare un sistema quantistico che lo era.

Lo hanno fatto incatenando assieme una fila di ioni di Itterbio con gli spin che interagivano gli uni con gli altri, e li hanno tenuti in uno stato di disequilibrio. Questo ha forzato gli ioni quantistici ad essere localizzati in uno spazio specifico e pertanto ad essere influenzati dal tempo.

Usando un laser, il team ha quindi potuto iniziare a cambiare lo spin di specifici ioni di itterbio e invertendo la rotazione di uno ione, causavano l’inversione dello ione vicino, e cosi via in una azione a catena, fino a che ogni  ione si mettevano ad oscillare.

I ricercatori hanno notato qualche cosa di strano, una volta che il laser veniva usato per  modificare il primo ione si creava una specie di oscillazione che diventava perpetua nel corso del tempo

Come spiega Tech Review:

“Questi ragazzi hanno scoperto che dopo aver permesso al sistema di evolvere, le interazioni  avvenivano ad un tasso che era il doppio del periodo originale. Dato che non c’è una forza motrice che agiva in quel periodo, la sola spiegazione è che  la simmetria temporale poteva essere stata rotta consentendo in tal modo  questi  periodi più lunghi. In altre parole avevano creato un cristallo temporale.

Per essere chiari, non intendiamo parlare di macchine a moto perpetuo  perché per definizione non c’è energia in questo sistema.

Ma questo dimostra che i cristalli temporali possono avvenire in un sistema fisico reale, e il gruppo di lavoro ha detto che questi ci possono aiutare a risolvere  il problema della memoria quantistica, cioè di come mantenere informazioni per le generazioni future nei computer quantistici.

I ricercatori hanno sottoposto i loro risultati al  pre-print website arXiv.org,  per poter essere recepiti e studiati anche da altri fisici, cosi si dovrà  attendere per   vedere se il loro esperimento potrà  essere replicato.  in caso affermativo,  stiamo iniziando a realizzare dei potenziali   bizzarri  cristalli  temporali.

Gli scienziati svelano la nuova forma della materia: il cristallo temporale

http://news.berkeley.edu/2017/01/26/scientists-u.nveil-new-form-of-matter-time-crystals/

Per la maggior parte delle persone, quando si parla di cristalli si intendono diamanti, pietre dure o forse i cristalli di ametista o di quarzo  amati dai collezionisti.

Per Norman Yao, questi cristalli inerti sono solo la punta dell’iceberg.

Se i cristalli hanno una struttura atomica che si ripete nello spazio, come  il reticolo di carbonio di un diamante, perché allora i cristalli non potrebbero avere una struttura che si ripete nel tempo? Cioè un cristallo temporale?

In un documento presentato on line sulla rivista  Physical Review Letters l’assistente  professore di fisica della UC Berkeley   descrive esattamente come fare e misurare le proprietà di tali cristalli, e prevedere anche quali sono le varie fasi che dovrebbero coinvolgere il cristallo temporale, simili alle fasi liquide e gassose nel ghiaccio.

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Una catena monodimensionale di ioni di itterbio è stato trasformato in un cristallo temporale dai fsici dell’Università del Maryland sulla base di un modello fornito da Norman Yao della Berkeley. Ogni ione si comporta come lo spin di un elettrone e mostra un lungo raggio di interazione indicato come freccia.

Questa non è solo mera speculazione. Due gruppi hanno seguito le indicazioni di Yao ed hanno già creato i primi cristalli temporali mai prodotti. I gruppi dell’università del Maryland e  dell’università di Harvard hanno riferito nei documenti pubblicati lo scorso anno,  di avere ottenuto dei successi usando due configurazioni completamente diverse , ed hanno sottoposto i loro risultati alla pubblicazione. Yao è il coautore di entrambi i documenti .

I cristalli temporali  si ripetono nel tempo perché sono spinti periodicamente, come se si spingesse ripetutamente sulla gelatina per farla dondolare, ha detto Yao.  Egli sostiene che il punto interessante, non è tanto che questi particolari cristalli hanno una configurazione che si ripete nel tempo , quanto che essi sono i primi di una grande classe di nuovi materiale che sono intrinsecamente fuori equilibrio, incapaci di stabilizzarsi  ad un equilibro immobile come per esempio in un diamante o un rubino .

“si tratta di una nuova fase della materia , ma è anche particolarmente interessante perché si tratta di un primo esempio di materia fuori-equilibrio” ha detto Yao. “Nell’ultimo mezzo secolo abbiamo esplorato  materiali equilibrati come metalli e isolanti, stiamo ora iniziando ad esplorare nuovi orizzonti della materia non in equilibrio.

Mentre per Yao è difficile immaginare l’uso di cristalli temporali, altre fasi proposte di materia non in equilibrio   ci fa pensare teoricamente a sistemi di memorizzazione quasi perfetta che potrebbe essere usata in computer quantici.

Una catena di Itterbio

Il cristallo temporale creato da Chris Monroe e dai suoi collegi dell’ università del Maryland impiega una fila di  10 ioni di itterbio i cui spin elettronici interagiscono, in modo simile ai sistemi qubit testati nei  computer quantistici. Per mantenere gli ioni fuori equilibrio, i ricercatori li colpiscono alternativamente con un laser per creare un campo magnetico efficace, e con un secondo laser per invertire parzialmente gli spin degli atomi ripetendo la sequenza piu’ volte. Dato che gli spin interagiscono, gli atomi si stabilizzano in uno schema ripetitivo di inversione di rotazione  che definisce un cristallo. .

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https://www.sciencenews.org/article/time-crystal-created-lab

Gli scienziati all’Università del Maryland e dell’Universita di Berkeley  California, hanno creato una catena di 10 ioni di ytterbium. Questi ioni si comportano come particelle dotate di  spin, una versione quantistica del momento angolare  che può puntare verso il basso o verso l’alto. I fisici usando un laser  hanno invertito la direzione dello spin in una catena di ioni, e permettendo agli ioni di interagire in modo tale che lo spin di ciascun ione influenzasse gli altri. I ricercatori hanno ripetuto questa sequenza a intervalli regolari, invertendo ogni volta la direzione degli ioni e lasciando poi che questi interagissero tra di loro. Quando gli scienziati hanno misurato gli spins degli ioni, hanno riscontrato che mediamente gli ioni hanno compiuto un ciclo  completo, tornando al loro stato originale, nel doppio dell’intervallo di  tempo nel quale erano stati capovolti.

Il comportamento  è sensibile, se ciascuna inversione  gira qualche cosa sottosopra, ci vogliono due  inversioni per ritornare alla posizione originale.  Inoltre gli scienziati hanno rilevato che gli spin degli ioni, sarebbero tornati al loro orientamento originale alla stessa velocità, anche se non fossero stati invertiti perfettamente. Questo dato indica che il sistema di ioni rispondere in un determinato  periodo regolare, il che è un segno distintivo di cristallo temporale,  proprio come gli atomi in un cristallo preferiscono disporsi in u reticolo con degli spazi  perfettamente delimitati. Questi cristalli temporali sono uno dei primi esempi di una nuova fase della materia, ha detto il fisico Norman YHao della Berkeley UC.

I   cristalli temporali  estendono ’idea di rottura della simmetria,  un  importante unificante concetto della  fisica, alla dimensione del tempo. Le leggi fisiche generalmente considerano  egualmente  tutti i punti nello spazio, nessuna posizione  è deversa dalle altre. In un liquido per esempio, gli atomi potrebbero    essere trovati  in qualsiasi posizione dello spazio.  Questo è un continuum di simmetria, in quanto le condizioni sono le stesse in ciascun punto del continuum spaziale. Se il liquido si solidifica in un cristallo, la simmetria si rompe. Gli atomi si troveranno solo in certe posizioni regolari dello spazio, con del vuoto in mezzo. Allo stesso modo, se rotate un cristallo a livello microscopico, sembrerà differenti se visto da angoli diversi, ma il liquido sembrerà lo stesso comunque lo si ruoti. In fisica la di rottura di simmetria stà alla base di argomenti che vanno dai magneti ai  superconduttori al meccanismo di Higgs,  e impregna le particelle elementari  dotate di massa  dando origine al bosone di Higgs.

Nel 2012 il fisico teorico Frank Wilczek del MIT  ha proposto l’idea che la  rottura della simmetria nel tempo avrebbe prodotto dei cristalli temporali. Ma studi successivi hanno mostrato che i cristalli temporali non potevano crearsi in un sistema in  stato di equilibrio, che sia stato posto  in una configurazione stabile. Invece i fisici si sono resi conto che sistemi guidati, che siano turbati periodicamente da una forza esterna, come un laser che inverte lo spin degli ioni, può creare questo tipo di cristalli. Gli esempi originali erano o difettosi o troppo semplici ha detto Wilczek Questo è molto più interessante.

A differenza del continuum di simmetria che viene rotto nella transizione da liquido a un cristallino solido, nel sistema guidato che gli scienziati hanno usato per creare i cristalli temporali, la simmetria è discreta, e appare a intervalli di tempo che corrispondono al tempo tra le perturbazioni. Se il sistema si ripete in intervalli di tempo più lunghi di quello che viene guidato dal laser, come in effetti ha fatto il cristallo temporale creato dagli scienziati (ossia la catena di itterbium ), allora la simmetria viene rotta.

I cristalli temporali sono troppo nuovi per gli scienziati per avere già degli utilizzi pratici. E’  come un bambino che non sai ancora cosa potrà fare da grande, ha detto Wilczek.  Ma credo che ne sentiremo parlare presto.

Probabilmente ci sono dei sistemi simili ancora da scoprire ha detto Nayak. Stiamo solo  graffiando la superficie di questo tipo di sorprendenti fenomeni, che sono i cristalli temporali, dove si possono avere questo tipo di sistemi  quantistici non in equilibrio.  E’ solo la prima finestra che si apre su un mondo da esplorare.

 

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