Un cristallo scintillante deve il suo aspetto colorato alla precisa disposizione dei suoi atomi nello spazio. Nel 2012, il fisico premio Nobel Frank Wilczek propose che un ordine simile potesse esistere non nello spazio, ma nel tempo. Ipotizzò che certi sistemi quantistici potessero organizzarsi in schemi ripetitivi che si ripetono all’infinito senza bisogno di energia esterna. Chiamò questi sistemi cristalli temporali. Essi esistono nel loro stato di energia più basso pur esibendo un movimento costante e ripetitivo. Gli scienziati ne confermarono sperimentalmente l’esistenza nel 2016.
I ricercatori del Dipartimento di Fisica Applicata dell’Università Aalto hanno raggiunto un importante traguardo collegando per la prima volta un cristallo temporale a un sistema esterno. Lo studio, guidato dal ricercatore Jere Mäkinen, mostra come il team abbia convertito un cristallo temporale in un sistema optomeccanico. Questo approccio potrebbe portare a tecnologie come sensori di alta precisione o sistemi di memoria migliorati per i computer quantistici, potenzialmente aumentandone le prestazioni.
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications .
“Il moto perpetuo è possibile nel regno quantistico a patto che non venga disturbato da input di energia esterna, come ad esempio l’osservazione. Ecco perché un cristallo temporale non era mai stato collegato a un sistema esterno prima d’ora”, afferma Mäkinen. “Ma noi lo abbiamo fatto e abbiamo dimostrato, anche in questo caso per la prima volta, che è possibile regolare le proprietà del cristallo utilizzando questo metodo.”
Creazione e mantenimento di un cristallo temporale
Per realizzare il sistema, i ricercatori hanno utilizzato onde radio per iniettare magnoni in un superfluido di elio-3 raffreddato a temperature prossime allo zero assoluto. I magnoni sono quasiparticelle, ovvero gruppi di particelle che si comportano come se fossero particelle individuali. Una volta interrotto l’input di onde radio, i magnoni si sono organizzati in un cristallo temporale.
Questo cristallo temporale ha continuato il suo movimento per un periodo insolitamente lungo, fino a 10⁸ cicli, ovvero diversi minuti, prima di affievolirsi fino a un livello non più misurabile. Man mano che si indeboliva, il cristallo temporale interagiva con un oscillatore meccanico nelle vicinanze. La natura di questa interazione dipendeva dalla frequenza e dall’ampiezza dell’oscillatore.
Collegamento tra i cristalli temporali e l’optomeccanica
“Abbiamo dimostrato che le variazioni di frequenza del cristallo temporale sono del tutto analoghe ai fenomeni optomeccanici ampiamente noti in fisica. Si tratta degli stessi fenomeni utilizzati, ad esempio, per rilevare le onde gravitazionali presso l’Osservatorio di onde gravitazionali a interferometro laser negli Stati Uniti. Riducendo la perdita di energia e aumentando la frequenza di questo oscillatore meccanico, il nostro sistema potrebbe essere ottimizzato per raggiungere i limiti del regno quantistico”, afferma Mäkinen.
Questo collegamento con l’ottomeccanica è significativo perché fornisce un modo per controllare e regolare il comportamento dei cristalli temporali, cosa che prima non era possibile.
Potenziali applicazioni per il calcolo e la rilevazione quantistica.
I cristalli temporali potrebbero svolgere un ruolo importante nel progresso delle tecnologie quantistiche. La loro capacità di persistere molto più a lungo rispetto ai tipici sistemi quantistici li rende particolarmente promettenti.
“I cristalli temporali durano per ordini di grandezza superiori rispetto ai sistemi quantistici attualmente utilizzati nel calcolo quantistico. Nello scenario migliore, i cristalli temporali potrebbero alimentare i sistemi di memoria dei computer quantistici, migliorandoli significativamente. Potrebbero anche essere utilizzati come pettini di frequenza, impiegati in dispositivi di misurazione ad altissima sensibilità come riferimenti di frequenza”, afferma Mäkinen.
Il lavoro è stato svolto utilizzando il Laboratorio a Bassa Temperatura, parte di OtaNano, l’infrastruttura nazionale finlandese per le nanotecnologie, le microtecnologie e le tecnologie quantistiche. Il team ha inoltre utilizzato le risorse computazionali fornite dal progetto Aalto Science-IT.
by 