Alla ricerca dei cristalli temporali / In search of time crystals
Alla ricerca dei cristalli temporali / In search of time crystals
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
L'esistenza di bizzarri stati della materia chiamati cristalli temporali, immaginati alcuni anni fa dal premio Nobel per la fisica Frank Wilczek, era considerata fisicamente impossibile, ma ora si è scoperto che non è così, e che in prospettiva potrebbero anche trovare applicazioni pratiche.
Christopher Monroe passa la sua vita a stuzzicare gli atomi con la luce. Li organizza in anelli e catene e poi li "massaggia" con il laser per esplorarne le proprietà e costruire semplici computer quantistici. Lo scorso anno, ha deciso di tentare qualcosa di apparentemente impossibile: creare un cristallo temporale.
Il nome fa pensare a un oggetto di scena degno del Doctor Who, ma ha radici nella fisica reale. I cristalli temporali sono strutture ipotetiche che pulsano senza richiedere alcuna energia, come un orologio che non ha mai bisogno di carica. Lo schema si ripete nel tempo nello stesso modo in cui gli atomi di un cristallo si ripetono nello spazio. L'idea era così scioccante che, quando nel 2012 il fisico e premio Nobel Frank Wilczek avanzò provocatoriamente il concetto, altri ricercatori si affrettarono a dimostrare che non c'era modo di creare cristalli temporali.
In realtà, una scappatoia c'era, e alcuni ricercatori impegnati in un ramo completamente diverso della fisica hanno trovato un modo per sfruttarla. Monroe, fisico all'Università del Maryland a College Park, e il suo gruppo di ricercatori, hanno usato delle catene di atomi che avevano costruito per altri scopi per creare una versione di un cristallo temporale. "Direi che in un certo modo ci è piovuto dal cielo", dice Monroe.
E un altro gruppo, diretto da ricercatori della Harvard University a Cambridge, in Massachusetts, ha modellato - in modo indipendente - dei cristalli temporali a partire da diamanti "sporchi". Entrambe le versioni, pubblicate nei giorni scorsi su "Nature", possono essere considerate dei cristalli temporali, ma non nel modo in cui li aveva originariamente immaginati Wilczek. "Sono meno strani dell'idea originaria, ma sono ancora dannatamente strani", dice Norman Yao, fisico all'Università della California a Berkeley e coautore di entrambi gli articoli.
Si tratta anche dei primi esempi di un tipo di materia davvero notevole: un insieme di particelle quantistiche che cambia costantemente, e non raggiunge mai uno stato stazionario.
Questi sistemi attingono stabilità dalle interazioni casuali che normalmente manderebbero in frantumi altri tipi di materia. "E' un nuovo tipo di ordine, che prima si riteneva impossibile. Questo è estremamente eccitante ", dice Vedika Khemani, membro del team di Harvard e in precedenza anche del gruppo che ha originariamente teorizzato l'esistenza del nuovo tipo di stato della materia. I fisici sperimentali si stanno già dando da fare per capire come sfruttare le caratteristiche di questi strani sistemi nei computer quantistici e in sensori magnetici super-sensibili.
Rottura di simmetria
Wilczek pensava ai cristalli temporali come un modo per rompere le regole. Le leggi della fisica sono simmetriche in quanto si applicano indistintamente a tutti i punti nello spazio e nel tempo. Eppure molti sistemi violano questa simmetria. In un magnete, gli spin atomici sono allineati, invece di puntare in tutte le direzioni. In un cristallo minerale, gli atomi occupano posizioni non definite nello spazio, e se vengono leggermente spostate il cristallo non è più lo stesso. Quando una trasformazione fa sì che le proprietà cambiano, i fisici parlano di rottura della simmetria, una rottura che si ritrova ovunque in natura: è alla base del magnetismo, dalla superconduttività e anche del meccanismo di Higgs che conferisce una massa a tutte le particelle.
Nel 2012 Wilczek, oggi all'Università di Stoccolma, si chiedeva perché la simmetria non si rompesse mai spontaneamente nel tempo, e se fosse possibile creare qualcosa che lo facesse. Chiamò questo qualcosa cristallo temporale. I fisici sperimentali hanno immaginato una versione quantistica di questa entità immaginando un anello di atomi che ruota senza fine, tornando ciclicamente alla sua configurazione iniziale.
Le sue proprietà sarebbero per sempre sincronizzate nel tempo, proprio come in un cristallo le posizioni atomiche sono correlate fra loro. Il sistema sarebbe nel suo stato energetico più basso, ma il suo movimento non richiederebbe alcuna forza esterna. Sarebbe, in sostanza, un moto perpetuo, anche se non produrrebbe un'energia utilizzabile.
"Di primo acchito si direbbe che in questa idea ci debba essere qualcosa di sbagliato", dice Yao. Quasi per definizione, un sistema nel suo stato di energia più bassa non varia nel tempo. Altrimenti vorrebbe dire che aveva dell'energia in eccesso da perdere, dice Yao, e la rotazione si fermerebbe molto presto. "Ma Frank ha convinto la comunità scientifica che il problema era più sottile di quanto sembrasse", dice Yao. Il moto perpetuo non è privo di precedenti nel mondo dei quanti: in teoria, i superconduttori conducono l'elettricità per sempre (anche se il flusso è uniforme, così da non mostrare variazioni nel tempo).
Queste prospettive fra loro in conflitto affollavano la testa di Haruki Watanabe al termine del suo primo colloquio per conseguire il dottorato a Berkeley. Aveva presentato una ricerca sulla rottura della simmetria nello spazio, e il suo supervisore gli ha chiesto quali fossero in generale le implicazioni sul cristallo temporale di Wilczek. "All'esame non ho saputo rispondere alla domanda, ma il problema mi interessava", dice Watanabe, che che aveva messo in dubbio la possibilità di una tale entità. "Mi sono chiesto, 'come posso convincere gli altri che non è possibile?'"
Con il fisico Masaki Oshikawa dell'Università di Tokyo, Watanabe ha così iniziato a cercare di dimostrare la sua risposta intuitiva in modo matematicamente rigoroso. Articolando il problema in termini di correlazioni nello spazio e nel tempo tra parti distanti del sistema, nel 2015 i due hanno derivato un teorema secondo cui era impossibile creare i cristalli temporali in qualsiasi sistema che fosse nel suo stato di energia minima. I ricercatori hanno anche verificato che i cristalli temporali erano impossibili in qualsiasi sistema in equilibrio, ossia che si trovassero in uno stato energetico stabile.
Per la comunità dei fisici la situazione era chiara. "Sembrava esserci uno stop", dice Monroe. Ma la dimostrazione lasciava aperta una scappatoia: non escludeva l'esistenza di cristalli temporali in sistemi che non si trovassero in uno stato stabile e fossero fuori equilibrio. In tutto il mondo, i teorici hanno così iniziato a pensare possibili modi per creare versioni alternative dei cristalli temporali.
Una zuppa di particelle
Quando la svolta è arrivata, è successo in un settore della fisica improbabile, in cui i ricercatori non pensavano affatto ai cristalli temporali.
Shivaji Sondhi, fisico teorico all'Università di Princeton, e i suoi colleghi, stavano studiando ciò che accade quando certi sistemi quantistici isolati, costituiti da una "zuppa" di particelle interagenti, vengono ripetutamente sollecitati.
I manuali di fisica dicono che i sistemi dovrebbero scaldarsi e diventare caotici. Ma nel 2015, il gruppo di Sondhi ha previsto che, in determinate condizioni, dovrebbero invece aggregarsi per formare una fase della materia che non esiste nello stato di equilibrio, un sistema di particelle che mostrerebbero le correlazioni sottili mai visto prima e che potrebbe ripetere nel corso del tempo uno schema.
Questa ipotesi ha attirato l'attenzione di Chetan Nayak, che era stato studente di Wilczek e ora lavora all'Università della California a Santa Barbara e al centro di ricerche "Station Q" della Microsoft. Nayak e alcuni suoi colleghi ben presto si sono resi conto che questa strana forma di materia fuori equilibrio poteva essere anche un tipo di cristallo temporale, sia pure non del tipo di Wilczek: non si troverebbe nel suo stato di energia minima, e richiederebbe un impulso regolare. Ma raggiungerebbe un ritmo costante che non corrisponde a quello imputabile all'impulso, e questo significa che verrebbe spezzeata la simmetria temporale.
"E' come se, giocando con una corda per saltare, in qualche modo il nostro braccio facesse due giri, ma la corda ne compiesse solo uno", dice Yao. E' un tipo di rottura della simmetria più debole di quello immaginato da Wilczek: nella sua rottura la corda oscillerebbe da sola.
Quando Monroe hanno sentito parlare di questo ipotetico sistema, all'inizio non riusciva a capirlo, ma "più leggevo su di esso, più mi incuriosiva", dice.
L'anno scorso, si è messo a cercare di creare un cristallo temporale con i suoi atomi. La ricetta è incredibilmente complessa, ma solo tre ingredienti sono essenziali: una forza che perturbi ripetutamente le particelle, un modo per far interagire tra loro gli atomi e un elemento di disturbo casuale. La combinazione di questi fattori, dice Monroe, assicura che per le particelle vi sia un limite all'energia che possono assorbire, permettendo loro di mantenere uno stato stazionario ordinato.
Nel suo esperimento, questo significa attivare sparando con due laser alternati a una catena di dieci ioni di itterbio: il primo laser inverte il loro spin e il secondo fa sì che gli spin interagiscono tra loro in modo casuale. Questa combinazione induce gli spin atomici a oscillare, ma al doppio del periodo in cui vengono invertiti.
Non solo, i ricercatori hanno scoperto che, anche quando iniziavano a invertire il sistema in modo imperfetto, per esempio cambiando leggermente la frequenza degli impulsi, l'oscillazione rimaneva la stessa. "Il sistema resta bloccato a una frequenza molto stabile", dice Monroe. I cristalli spaziali sono anch'essi resistenti a qualsiasi tentativo di spingere i loro atomi a una distanza differente dalla loro, dice Monroe. "Con questi cristalli temporali è lo stesso."
Mikhail Lukin, fisico ad Harvard, ha provato a fare qualcosa di simile, ma in un sistema molto diverso, un frammento 3D di diamante. Il minerale è stato crivellato con circa 1 milione di difetti, ciascuno dotato di un certo spin. Le impurità del diamante fornivano un disordine naturale. Quando Lukin ed il suo gruppo hanno usato degli impulsi a microonde per capovolgere gli spin, hanno visto il sistema rispondere a una frazione della frequenza con cui era stato disturbato.
I fisici concordano sul fatto che i due sistemi rompono spontaneamente un tipo di simmetria temporale e quindi, matematicamente, soddisfano i criteri di cristallo temporale, anche se si è aperta una discussione sull'opportunità di chiamarli così. "Si tratta di uno sviluppo interessante, ma in qualche modo l'uso di questo termine è un po' un abuso", dice Oshikawa.
Secondo Yao i nuovi sistemi sono cristalli temporali, anche se la definizione andrebbe ristretta per evitare di includere fenomeni già ben compresi e non così interessanti per i fisici quantistici.
Ma le creazioni Monroe e Lukin sono entusiasmanti anche per altri motivi, dice Yao. Sembrano i primi, e forse i più semplici, esempi di una serie di nuove fasi che esistono negli stati fuori equilibrio, finora poco esplorati. E potrebbero anche avere diverse applicazioni pratiche. Per esempio, sistemi di simulazione quantistici che funzionano a temperature elevate.
I fisici usano spesso particelle quantistiche entangled a temperature di pochi nanokelvin, ossia vicine allo zero assoluto, per simulare comportamenti complessi di materiali che non possono essere modellati su un computer classico.I cristalli temporali rappresentano un sistema quantistico stabile a temperature molto più elevate - nel caso del diamante di Lukin, a temperatura ambiente - che oitrebbe aprire le porte a simulazioni quantistiche che non richiedono la criogenia.
I cristalli temporali potrebbero anche trovare impiego in sensori di superprecisi, dice Lukin. Il suo laboratorio sfrutta già ora difetti nel diamante per rilevare piccole variazioni di temperatura e nei campi magnetici. Ma l'approccio ha dei limiti, perché se vengono inseriti troppi difetti in un piccolo spazio, le loro interazioni distruggono i loro fragili stati quantici. In un cristallo temporale, invece, le interazioni aiutano a stabilizzarli, e non a distruggerli. Lukin potrebbe così sfruttare milioni di difetti per produrre un segnale forte, un segnale capace di riconoscere efficientemente cellule viventi e materiali dello spessore atomico.
Lo stesso principio di stabilità da interazioni potrebbe trovare applicazioni anche più ampie nell'informatica quantistica, dice Yao. I computer quantistici sono grande promessa, ma si trovano a dover combattere con la sfida opposta: proteggere i fragili bit quantistici che eseguono calcoli, mantenendoli al contempo accessibili per la codifica e la lettura delle informazioni. "In prospettiva possiamo chiederci se è possibile trovare fasi nelle quali le interazioni stabilizzano questi bit quantistici", dice Yao.
La storia di cristalli temporali è un bellissimo esempio di come possa realizzarsi un progresso quando filoni di pensiero diversi si uniscono, dice Roderich Moessner, direttore del Max-Planck Institut per la fisica dei sistemi complessi a Dresda, in Germania. E' possibile, dice, che questa particolare ricetta si dimostri solo uno di tanti modi per creare cristalli temporali.
ENGLISH
The existence of bizarre states of matter called time crystals, imagined a few years ago by the Nobel Prize in Physics Frank Wilczek, was considered physically impossible, but now it has been discovered that this is not the case, and that in perspective they could also find practical applications.
Christopher Monroe spends his life teasing atoms with light. He organizes them into rings and chains and then "massages" them with the laser to explore their properties and build simple quantum computers. Last year, he decided to try something seemingly impossible: create a time crystal.
The name suggests a Doctor Who-worthy prop, but has roots in real physics. Time crystals are hypothetical structures that pulsate without requiring any energy, like a clock that never needs winding. The pattern repeats itself over time in the same way that the atoms of a crystal repeat themselves in space. The idea was so shocking that when physicist and Nobel laureate Frank Wilczek provocatively advanced the concept in 2012, other researchers were quick to prove that there was no way to create time crystals.
In fact, there was a loophole, and some researchers working in an entirely different branch of physics have found a way to exploit it. Monroe, a physicist at the University of Maryland at College Park, and his team of researchers used chains of atoms they had built for other purposes to create a version of a time crystal. "I'd say it kind of rained down on us from the sky," says Monroe.
And another group, led by researchers from Harvard University in Cambridge, Massachusetts, independently modeled time crystals from "dirty" diamonds. Both versions, published in recent days in "Nature", can be considered as time crystals, but not in the way Wilczek originally envisioned them. "They're less weird than the original idea, but they're still damn weird," says Norman Yao, a physicist at the University of California at Berkeley and co-author of both articles.
They are also the first examples of a truly remarkable type of matter: a collection of quantum particles that constantly changes, and never reaches a stationary state.
These systems draw stability from random interactions that would normally shatter other types of matter. "It's a new kind of order that was previously thought impossible. This is extremely exciting," says Harvard team member Seeka Khemani and previously also of the group that originally theorized the existence of the new type of state of matter. . Experimental physicists are already struggling to figure out how to exploit the characteristics of these strange systems in quantum computers and super-sensitive magnetic sensors.
Symmetry breaking
Wilczek thought of time crystals as a way to break the rules. The laws of physics are symmetrical in that they apply indiscriminately to all points in space and time. Yet many systems violate this symmetry. In a magnet, the atomic spins are aligned instead of pointing in all directions. In a mineral crystal, atoms occupy undefined positions in space, and if they are moved slightly the crystal is no longer the same. When a transformation causes the properties to change, physicists speak of symmetry breaking, a break that is found everywhere in nature: it is the basis of magnetism, superconductivity and also the Higgs mechanism that gives mass to all particles.
In 2012 Wilczek, now at Stockholm University, wondered why symmetry never spontaneously broke over time, and if it was possible to create something that did. He called this something time crystal. Experimental physicists have imagined a quantum version of this entity by imagining a ring of atoms spinning endlessly, cyclically returning to its initial configuration.
Its properties would be forever synchronized in time, just as in a crystal the atomic positions are related to each other. The system would be in its lowest energy state, but its movement would not require any external forces. It would, in essence, be a perpetual motion, even if it would not produce usable energy.
"At first glance it would seem that there must be something wrong with this idea," says Yao. Almost by definition, a system in its lowest energy state does not vary over time. Otherwise it would mean he had excess energy to lose, says Yao, and the rotation would stop very soon. "But Frank convinced the scientific community that the problem was more subtle than it appeared," says Yao. Perpetual motion is not unprecedented in the quantum world: in theory, superconductors conduct electricity forever (even if the flow is uniform, so as not to show variations over time).
These conflicting perspectives crowded the head of Haruki Watanabe at the end of her first interview to get her doctorate at Berkeley. He had presented research on symmetry breaking in space, and his supervisor asked him what the general implications were for Wilczek's time crystal. "In the exam I could not answer the question, but the problem interested me," says Watanabe, who had questioned the possibility of such an entity. "I asked myself, 'How can I convince others that it's not possible?'"
With physicist Masaki Oshikawa of the University of Tokyo, Watanabe thus began to try to demonstrate his intuitive response in a mathematically rigorous way. Articulating the problem in terms of correlations in space and time between distant parts of the system, in 2015 the two derived a theorem that it was impossible to create time crystals in any system that was in its lowest energy state. The researchers also verified that time crystals were impossible in any equilibrium system, meaning that they were in a stable energy state.
For the physics community the situation was clear. "There seemed to be a stop," Monroe says. But the proof left a loophole: it did not rule out the existence of time crystals in systems that were not in a stable state and were out of balance. All over the world, theorists have thus begun to think of possible ways to create alternative versions of time crystals.
A soup of particles
When the breakthrough came, it happened in an unlikely area of physics, where researchers didn't think about time crystals at all.
Shivaji Sondhi, a theoretical physicist at Princeton University, and his colleagues were studying what happens when certain isolated quantum systems, made up of a "soup" of interacting particles, are repeatedly stressed.
Physics textbooks say systems should heat up and become chaotic. But in 2015, Sondhi's team predicted that, under certain conditions, they should instead aggregate to form a phase of matter that doesn't exist in the state of equilibrium, a system of particles that would exhibit subtle correlations never seen before and could repeat in the time a pattern.
This hypothesis caught the attention of Chetan Nayak, who had been Wilczek's student and now works at the University of California at Santa Barbara and Microsoft's "Station Q" research center. Nayak and some of his colleagues soon realized that this strange form of out-of-balance matter could also be a type of time crystal, albeit not of the Wilczek type: it would not be in its minimum energy state, and would require a pulse. regular. But it would reach a constant rhythm that does not correspond to that attributable to the impulse, and this means that the temporal symmetry would be broken.
"It is as if, playing with a skipping rope, somehow our arm makes two turns, but the rope makes only one," says Yao. It is a weaker type of symmetry breaking than that imagined by Wilczek: in its break the string would swing by itself.
When Monroe first heard about this hypothetical system, she couldn't understand it at first, but "the more I read about it, the more curious I was," he says.
Last year, he set about trying to create a time crystal with his atoms. The recipe is incredibly complex, but only three ingredients are essential: a force that repeatedly disrupts the particles, a way to make atoms interact with each other, and a random disturbing element. The combination of these factors, Monroe says, ensures that there is a limit to the energy that particles can absorb, allowing them to maintain an ordered steady state.
In his experiment, this means activating by firing two alternating lasers at a chain of ten ytterbium ions: the first laser reverses their spins and the second causes the spins to interact with each other randomly. This combination causes the atomic spins to oscillate, but at double the time they are reversed.
Not only that, the researchers found that even when they started to reverse the system imperfectly, for example by slightly changing the frequency of the pulses, the oscillation remained the same. "The system gets stuck at a very stable frequency," Monroe says. Space crystals are also resistant to any attempt to push their atoms at a different distance from theirs, Monroe says. "It's the same with these time crystals."
Harvard physicist Mikhail Lukin tried to do something similar, but in a very different system, a 3D diamond fragment. The mineral has been riddled with about 1 million defects, each with a certain spin. The impurities of the diamond provided a natural mess. When Lukin and his team used microwave pulses to flip the spins, they saw the system respond to a fraction of the frequency with which it was disturbed.
Physicists agree that the two systems spontaneously break a type of time symmetry and therefore, mathematically, meet the time crystal criteria, even if a discussion has arisen as to whether to call them that. "This is an interesting development, but somehow the use of this term is a bit of an abuse," says Oshikawa.
According to Yao, the new systems are time crystals, even if the definition should be narrowed to avoid including phenomena already well understood and not so interesting for quantum physicists.
But the Monroe and Lukin creations are exciting for other reasons as well, says Yao. They seem to be the first, and perhaps the simplest, examples of a series of new phases that exist in out-of-equilibrium states, hitherto little explored. And they could also have several practical applications. For example, quantum simulation systems that operate at high temperatures.
Physicists often use quantum particles entangled at temperatures of a few nanokelvin, i.e. close to absolute zero, to simulate complex behaviors of materials that cannot be modeled on a classical computer.Time crystals represent a stable quantum system at much higher temperatures - in the case of Lukin's diamond, at room temperature - which could open the door to quantum simulations that do not require cryogenics.
Time crystals could also find use in super-precise sensors, says Lukin. His laboratory is already exploiting defects in diamonds to detect small changes in temperature and magnetic fields. But the approach has limitations, because if too many flaws are inserted into a small space, their interactions destroy their fragile quantum states. In a time crystal, on the other hand, interactions help stabilize them, not destroy them. Lukin could thus exploit millions of defects to produce a strong signal, a signal capable of efficiently recognizing living cells and materials of atomic thickness.
The same principle of interaction stability could find even wider applications in quantum computing, says Yao. Quantum computers hold great promise, but they face the opposite challenge: protecting the fragile quantum bits that perform computations, while keeping them accessible for encoding and reading information. "Looking ahead, we can ask ourselves whether it is possible to find phases in which interactions stabilize these quantum bits," says Yao.
The history of time crystals is a beautiful example of how progress can be made when different strands of thought come together, says Roderich Moessner, director of the Max-Planck Institut for Physics of Complex Systems in Dresden, Germany. It's possible, he says, that this particular recipe proves to be just one of many ways to create time crystals.
Da:
https://www.lescienze.it/news/2017/03/18/news/cristalli_temporali_rottura_simmetria-3462222/
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