È ufficiale: i Cristalli di Tempo sono un Nuovo Stato della Materia, e ora possiamo Crearli!!!
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Data: 8 marzo 2017
Fonte: Università del Texas ad Austin
Sommario: "Gli scienziati stanno riferendo sulla creazione di una fase della materia, soprannominata Cristallo del Tempo, in cui gli atomi si muovono in uno schema che si ripete nel Tempo piuttosto che nello Spazio..
All'inizio di quest'anno (2017),
i fisici avevano messo insieme un modello per come creare e misurare i
cristalli del tempo: uno stato bizzarro di materia con una struttura
atomica che si ripete non solo nello spazio, ma nel tempo, consentendo
loro di mantenere un'oscillazione costante senza energia.
Due team di ricerca separati sono riusciti a creare quello che sembrava molto simile ai cristalli temporali a gennaio,
e ora entrambi gli esperimenti hanno superato con successo la
peer-review per la prima volta, mettendo il fenomeno "impossibile"
direttamente nel regno della realtà.
"Abbiamo
preso queste idee teoriche che abbiamo cercato negli ultimi due anni e
che abbiamo effettivamente realizzato in laboratorio", dice uno dei
ricercatori , Andrew Potter della Texas University di Austin.
"Speriamo, questo sia solo il primo esempio di questi, con molti altri a venire."
I
cristalli temporali sono una delle cose più interessanti che la fisica
abbia inventato negli ultimi mesi, perché indicano un intero nuovo mondo
di fasi di "Not-Equilibrium" completamente diverse da qualsiasi cosa gli scienziati abbiano mai studiato in passato.
Per
decenni abbiamo studiato la materia, come metalli e isolanti, definita
come "in equilibrio", uno stato in cui tutti gli atomi di un materiale
hanno la stessa quantità di calore.
Ora
sembra che i cristalli del tempo siano il primo esempio dello stato di
materia "non di equilibrio", ipotizzato ma non studiato, e potrebbero
rivoluzionare il modo in cui immagazziniamo e trasferiamo le
informazioni attraverso i sistemi quantici.
"Dimostra che la ricchezza delle fasi della materia è ancora più ampia di quanto pensassimo", ha detto a Gizmodo il fisico Norman Yao dell'Università della California, Berkeley, che ha pubblicato il progetto a gennaio.
"Uno
dei santi graal in fisica è capire quali tipi di materia possono
esistere in natura. Le Fasi [N]ot-Equilibrium rappresentano una nuova
strada diversa da tutte le cose che abbiamo studiato in passato."
Proposti per la prima volta dal fisico teorico vincitore del Nobel Frank Wilczek nel 2012, i Cristalli del Tempo erano Strutture ipotetiche che sembrano avere movimento anche al loro stato di energia più basso, noto come Stato Fondamentale.
Di
solito, quando un materiale entra nel suo stato fondamentale - indicato
anche come energia del punto zero di un sistema - il movimento dovrebbe
teoricamente essere impossibile, perché richiederebbe di spendere
energia.
Ma Wilczek immaginava un oggetto che potesse raggiungere un movimento eterno mentre si trovava nel suo stato fondamentale, cambiando periodicamente l'allineamento degli atomi all'interno del cristallo più e più volte - fuori dallo stato fondamentale, indietro di nuovo e ripetuto costantemente nel tempo.
Cerchiamo
di essere chiari: questa non è una macchina per moto perpetua, perché
nel sistema c'è energia zero. Ma l'ipotesi inizialmente sembrava
improbabile per un altro motivo.
Ha accennato a un sistema che rompe uno degli assunti più fondamentali della nostra attuale comprensione della fisica - la Simmetria della traduzione temporale, che afferma che le leggi della fisica sono le stesse ovunque ed in "ogni momento".
Come spiega Daniel Oberhaus al "Motherboard", la Simmetria della traduzione temporale è la ragione per cui sarebbe impossibile lanciare una moneta e avere in un primo momento
le probabilità di testa o croce a un 50/50 %, ma poi la prossima volta
che la si capovolge, le probabilità diventino invece improvvisamente:
del 70/30 %.
Ma certi oggetti possono rompere questa simmetria nel loro stato fondamentale senza violare le leggi della fisica.
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Si consideri un magnete con un'estremità nord e una sud. Ebbene: Non è chiaro come un magnete "decida"
quale estremità sarà a nord e quale sarà a sud, ma il fatto che abbia
un'estremità nord e una sud non significa che non avrà lo stesso aspetto
su entrambe le estremità. (Ossia: è "naturalmente assimmetrico").
Un altro esempio di un oggetto fisico con uno stato fondamentale asimmetrico è un cristallo.
I
cristalli sono noti per i loro schemi strutturali ripetitivi, ma gli
atomi al loro interno hanno posizioni "preferite" all'interno del
reticolo. Quindi, a seconda di dove osservi un cristallo nello spazio,
sembrerà diverso - le leggi della fisica non sono più simmetriche,
perché non si applicano allo stesso modo a tutti i punti nello spazio.
Con
questo in mente, Wilczek propose che fosse possibile creare un oggetto
che raggiungesse uno stato fondamentale asimmetrico non attraverso lo
spazio, come appunto i normali cristalli o magneti, ma attraverso: il
tempo.
In altre parole, gli atomi potrebbero preferire stati diversi a intervalli diversi nel tempo?
Avanzando di alcuni anni, i ricercatori americani e giapponesi hanno dimostrato che ciò sarebbe stato possibile, con una modifica importante alla proposta di Wilczek - per ottenere cristalli temporali che ribaltassero i loro stati più e più volte, dovevano essere sottoposti a una "spinta" una volta ogni tanto.
Nel gennaio di quest'anno, Norman Yao descrisse come un tale sistema potesse essere costruito, descrivendolo a Elizabeth Gibney in Nature: solo come un tipo "più debole" di violazione della simmetria di quanto immaginato da Wilczek.
"È
come giocare con una corda per saltare, e in qualche modo il nostro
braccio va in giro due volte, ma la corda gira solo una volta", dice,
aggiungendo che nella versione di Wilczek, la corda oscillerebbe però da sola...
"È meno strana della prima idea, ma rimane pur tuttavia ancora piuttosto strana..".
Due distinte squadre di ricercatori, una guidata dall'Università del Maryland e l'altra dall'Università di Harvard, presero dunque a cuore questo progetto e lo seguirono, creando due diverse versioni di un cristallo temporale che apparvero essere ugualmente funzionali e viabili.
"Entrambi i sistemi sono davvero fantastici, sono molto diversi, ma penso che siano estremamente complementari", ha così detto Yao a Gizmodo.
"Non
penso che uno sia migliore dell'altro. Essi guardano a due diversi
regimi della fisica. Però, il fatto che tu stia vedendo questa
fenomenologia simile in sistemi molto diversi: è sì, davvero, davvero
sorprendente!".
Descritti nei documenti di pre-stampa di gennaio , i cristalli del tempo dell'Università del Maryland sono stati creati prendendo una linea di 10 erteri di itterbio, tutti con spin intrecciati di elettroni.
"La chiave per trasformare quell'assetto in un cristallo temporale è stato di tenere gli ioni fuori dall'equilibrio, e per farlo i ricercatori li hanno colpiti alternativamente con due laser: un laser ha creato un campo magnetico e il secondo laser ha parzialmente capovolto gli spin di gli atomi.."
Poiché gli spin di tutti gli atomi sono stati messi nell'Entanglement, gli atomi si sono stabilizzati in uno schema ripetitivo e stabile di rotazione di spin che definisce un cristallo, ma ha fatto qualcosa di veramente strano per diventare un cristallo temporale - lo schema di spin-flipping nel sistema si è ripetuto solo a metà della velocità del laser che pulsava.
"Non sarebbe strano se tu dondolassi uno YO-YO e scoprissi che, in qualche modo, lui si è mosso anche.. contemporaneamente, in un altro periodo di tempo?" ha spiegato Yao.
Il cristallo del tempo di Harvard utilizzava invece diamanti che erano stati caricati con così tante impurità di azoto, da diventare neri.
Lo spin di queste impurità era in grado di essere capovolto avanti e indietro come la rotazione degli ioni di itterbio nell'esperimento del Maryland.
È stato un momento emozionante per la fisica, ed ora le cose sono finalmente ufficiali, perché entrambi gli esperimenti hanno superato la Revisione Paritaria (peer-review), e ora appaiono in documenti separati, in Nature (qui e qui).
E ora che sappiamo che queste cose esistono, è tempo di crearne altre e metterle a frutto.
Una delle applicazioni più promettenti per i cristalli temporali è il calcolo quantico: potrebbero consentire ai fisici di creare sistemi quantistici stabili a temperature molto più elevate
rispetto a quelle che si possono ottenere in questo momento, e questa
potrebbe essere la spinta necessaria per rendere finalmente il calcolo quantico una realtà .
Non vediamo l'ora di vedere dove ci porterà questa Ricerca...
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LINK in Tema:
Usare la matematica per studiare la possibilità di viaggiare nel tempo
Calcolo quantico? Spostare un atomo all'interno di un cristallo per investigarne la funzione
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FONTI:
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