I ricercatori confermano l’esistenza dei cuasicristalli temporali nei sistemi quantistici: una scoperta che potrebbe rivoluzionare la computazione quantistica e la metrologia di precisione
Un gruppo di ricercatori ha confermato, per la prima volta, l’esistenza dei cuasicristalli temporali in sistemi quantistici, una scoperta che potrebbe rivoluzionare la fisica quantistica, la computazione quantistica e la metrologia di precisione. Questo importante risultato sperimentale è stato ottenuto studiando spins in diamante e apre nuove possibilità per l’indagine di stati della materia non in equilibrio.
Il concetto di cristalli temporali e la sua evoluzione
L’idea dei cristalli temporali è stata proposta dal fisico Frank Wilczek nel 2012, con l’intento di esplorare sistemi che possano mostrare un comportamento periodico nel tempo, simile a quello dei cristalli tradizionali, che invece presentano una struttura ripetitiva nello spazio. Da allora, la comunità scientifica ha mostrato un grande interesse per questi sistemi esotici, che sembrano sfidare l’intuizione e le leggi classiche della fisica.
Studi precedenti avevano già confermato l’esistenza di cristalli temporali con ordine topologico in processori quantistici, ma tali sistemi presentavano un comportamento periodico, cioè ripetevano i loro pattern temporali a intervalli regolari. Tuttavia, il recente studio pubblicato sulla rivista Physical Review X ha fatto un passo avanti fondamentale, confermando sperimentalmente l’esistenza dei cuasicristalli temporali.
La natura dei cuasicristalli temporali: una complessità superiore
I cuasicristalli temporali rappresentano una fase esotica della materia che rompe la simmetria temporale in modo molto più complesso rispetto ai cristalli temporali convenzionali. Mentre i cristalli temporali rispondono a un impulso esterno con un periodo fisso, i cuasicristalli temporali generano pattern di oscillazione che combinano frequenze non commensurabili tra loro, cioè le frequenze coinvolte non sono multipli esatti l’una dell’altra.
Per comprendere meglio questa differenza, si potrebbe paragonare i cristalli temporali a un metronomo che segna un ritmo regolare, mentre i cuasicristalli temporali assomiglierebbero più a una composizione jazz dove i pattern ritmici sono complessi e non prevedibili. Nel nuovo studio, gli autori hanno dimostrato che il sistema cuantistico in questione genera pattern di oscillazione che non solo sono periodici, ma presentano combinazioni di frequenze subarmoniche, confermando la presenza di un nuovo tipo di ordine temporale.
L’esperimento che ha dimostrato l’esistenza dei cuasicristalli temporali
Per realizzare l’esperimento, i ricercatori hanno utilizzato un sistema formato da centri di vacanza di azoto (NV) nel diamante, difetti presenti nella rete cristallina del diamante che agiscono come spins quantistici. Questi spins possono essere manipolati mediante impulsi di microonde. Applicando impulsi in due frequenze non commensurabili, i ricercatori sono riusciti a indurre un comportamento cuasicristallino nel tempo.
Un aspetto fondamentale di questo esperimento è che le interazioni tra gli spins nel diamante aiutano a stabilizzare il cuasicristallo temporale. Gli scienziati hanno scoperto che, quando le interazioni tra gli spins sono sufficientemente forti, il sistema mantiene il suo ordine temporale per molte oscillazioni, resistendo a piccole perturbazioni dovute agli impulsi di microonde. Questo risultato è cruciale, in quanto dimostra che i cuasicristalli temporali possono esistere come una fase stabile della materia, e non solo come un fenomeno effimero o dipendente da condizioni estremamente precise.
Perché questa scoperta è importante per la fisica quantistica
Questa scoperta ha enormi implicazioni sia teoriche che pratiche. Fino ad ora, gli studi sui cuasicristalli temporali erano stati per lo più teorici o realizzati in sistemi nei quali la stabilità non era garantita. Tuttavia, questo è il primo esperimento che conferma la loro esistenza in un sistema quantistico controllato, aprendo la strada a nuove indagini sulle fasi della materia non in equilibrio.
Una delle applicazioni più promettenti dei cuasicristalli temporali riguarda la metrologia di precisione e la computazione quantistica. Le oscillazioni a múltiple frequenze generate da questi sistemi potrebbero essere sfruttate per migliorare la precisione dei orologi atomici e di altri dispositivi di misurazione ultra-precisi. Inoltre, il comportamento quantistico di questi sistemi potrebbe offrire nuove possibilità per l’immagazzinamento e l’elaborazione delle informazioni quantistiche in modo più efficiente, con ripercussioni dirette sul futuro della computazione quantistica.
Il futuro dei cuasicristalli temporali: nuove frontiere per la scienza quantistica
Lo studio solleva numerosi interrogativi sul comportamento dei cuasicristalli temporali in diverse condizioni e su altri sistemi fisici. Gli autori suggeriscono che futuri studi potrebbero esplorare la relazione tra questi cuasicristalli e il fenomeno della localizzazione quantistica, in cui le interazioni quantistiche potrebbero impedire che un sistema perda il suo ordine e raggiunga lo stato di equilibrio termico.
Un altro ambito interessante di ricerca riguarda la possibilità di creare cuasicristalli temporali su altre piattaforme fisiche, come atomi ultrafreddi o circuiti superconductori. Se questo comportamento potesse essere esteso ad altri sistemi fisici, si potrebbero sviluppare nuove strategie per l’immagazzinamento e la manipolazione delle informazioni quantistiche, con potenziali applicazioni rivoluzionarie per la computazione quantistica.
Questo progresso non solo aggiunge una nuova dimensione alla teoria dei cristalli temporali, ma apre anche la strada a innovazioni tecnologiche che potrebbero trasformare il nostro modo di misurare il tempo, elaborare informazioni e comprendere le proprietà fondamentali della materia.