I cristalli temporali potrebbero rivoluzionare la precisione quantistica
Perché gli orologi atomici non bastano più e i modelli quantistici ultraprecisi rappresentano una nuova frontiera teorica nella misurazione del tempo e nelle tecnologie avanzate?
Il tempo impegna scienziati, fisici e ingegneri sia nell’acquisire nuove conoscenze sulla sua struttura, sia nella costruzione strumentale. Secondo un nuovo studio, i cristalli temporali diventeranno materiale dei futuri orologi quantistici ultraprecisi. Saranno più stabili e meno complessi di quelli atomici utilizzati fino adesso. Con loro si ottiene una misura del tempo molto accurata: sono fondamentali per molte tecnologie avanzate, ad esempio satellitari e per eseguire test in laboratori di fisica.
Persino alcuni GPS utilizzano gli orologi atomici: sono dispositivi con un sistema di raffreddamento su atomi e ioni anche a temperature molto basse e con laser. Misurano la luce emessa dagli elettroni quando cambiano livello energetico. Le frequenze ottenute con gli orologi atomici ottici sono stabili, ma il loro sistema è antiquato, ingombrante e con elevato consumo energetico. I cristalli temporali sono i loro successori, la nuova generazione strumentale in arrivo.
Gli autori dello studio li descrivono così: “I cristalli quantistici del tempo sono veri e propri orologi quantistici con prestazioni migliorate dalla rottura spontanea della simmetria di traslazione temporale“. Non alterano le regole della fisica, quindi non cambiano con il tempo.
Che cosa sono i cristalli del tempo, come funzionano e da quanto tempo si studiano? Raccontiamo l’esperimento eseguito dai ricercatori con un modello matematico e 100 particelle quantistiche
Un cristallo tradizionale ha una struttura che si ripete nello spazio. Il cristallo del tempo, invece, si caratterizza per una periodicità temporale. Il sistema oscilla con un ritmo regolare generato da proprie interazioni interne e senza bisogno di sollecitazioni continue. Questo comportamento fu osservato e sperimentato nel 2016: era legato a una rottura spontanea della simmetria di traslazione temporale. Il sistema evolve in modo periodico ma indipendentemente dalle leggi fisiche.
I ricercatori, per verificare questo ritmo autosufficiente, hanno costruito un modello matematico composto da 100 particelle quantistiche con due possibili stati di spin. Hanno confrontato poi due condizioni: una fase convenzionale e una fase cristallina temporale. Nel primo caso si sono registrate oscillazioni guidate da un campo laser, nel secondo caso il comportamento periodico è emerso spontaneamente.
Al momento lo studio ha prodotto solo nuove teorie sui cristalli temporali: l’applicazione pratica per realizzare orologi quantistici richiede altri progressi tecnologici. Lo studio apre interessanti possibilità per le applicazioni quantistiche più varie ed è stato pubblicato su Physical Review Letters.
