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Cristalli temporali: catturata in video la loro oscillazione

Mediante un microscopio a raggi X a trasmissione di scansione, il team di ricerca dell’università polacca “Adam Mickiewicz“ ha osservato in video le oscillazioni di un cristallo temporale sancendo una svolta significativa nel loro studio.

Categorie Fisica

Ai tre convenzionali stati della materia – solido, liquido e gassoso – negli ultimi anni se ne è aggiunto un quarto indicato come “cristalli temporali”. Questo integra la dimensione temporale.

L’esistenza dei cristalli temporali fu teorizzata nel 2012 dal premio Nobel Frank Wilczek. Nel 2019, quando tutto era ancora fermo ad uno stato teorico, arrivò la verifica della loro esistenza grazie agli scienziati dell’Università del Maryland e di Harvard.

Le caratteristiche dei cristalli di tempo

I cristalli sono strutture costituite da atomi, molecole e ioni che si ripetono periodicamente nelle tre dimensioni dello spazio cartesiano. I cristalli temporali, anche definiti come cristalli spazio-temporali, si differenziano da quelli regolari per un’unica proprietà aggiuntiva. Nei cristalli regolari, gli atomi sono organizzati in una struttura a griglia tridimensionale fissa. Questi reticoli ripetuti possono differire nella configurazione, ma all’interno di una data formazione non si muovono molto: si ripetono solo spazialmente.

I cristalli temporali, invece, presentano un’oscillazione degli atomi in due differenti direzioni. Queste oscillazioni – chiamate “ticchettio” – sono definite su una frequenza regolare: dunque dove nei cristalli regolari la struttura si ripete nello spazio, nei cristalli temporali si ripete sia nello spazio che nel tempo. “Siamo stati in grado di dimostrare che tali cristalli spazio-temporali sono molto più robusti e diffusi di quanto si pensasse”, afferma il fisico Pawel Gruszecki dell’Università polacca “Adam Mickiewicz”.

La realizzazione dei cristalli temporali

La verifica dell’esistenza dei cristalli di tempo è avvenuta colpendo con due fasci di laser dieci ioni di itterbio, elemento malleabile e duttile al suo stato naturale. La determinazione dello stato di instabilità di questi atomi ha costituito l’entrata in un’oscillazione ripetuta e costante. Essa è contrapposta allo stato naturale degli atomi rappresentato da un equilibrio energetico ed è un aspetto importantissimo in quanto è la prima volta che si osserva un esempio di stato lontano dall’equilibrio.

Cristalli temporali
Porzione della catena di ioni itterbio e schema delle relative interazioni Credits: Cortesia Chris Monroe, University of Maryland

Per studiare i cristalli temporali, gli scienziati spesso utilizzano i condensati di Bose-Einstein ultrafreddi di quasiparticelle – l’insieme della particella singola e della circostante nuvola – di magnoni. I magnoni non sono vere e proprie particelle, bensì sono dei bosoni e consistono in un’eccitazione collettiva dello spin degli elettroni. “Il nostro cristallo si condensa a temperatura ambiente e le particelle possono interagire con esso, a differenza di un sistema isolato”, afferma Gruszecki.

La registrazione delle oscillazioni

Il gruppo di ricerca guidato da Gruszecki e dal dottorando in fisica Nick Träger dell’Istituto tedesco Max Planck per i sistemi intelligenti hanno posizionato una banda magnetica di permalloy – lega metallica magnetica a base di ferro e nichel – su un’antenna attraverso la quale potevano inviare una corrente a radiofrequenza. Questa produceva un campo magnetico oscillante sulla banda dove le onde magnetiche viaggiavano da entrambe le estremità.

Le onde elettromagnetiche hanno stimolato i magnoni nella banda i quali, posti in movimento, si sono condensati in uno schema ripetitivo. “Abbiamo preso il modello regolarmente ricorrente dei magnoni nello spazio e nel tempo, abbiamo inviato altri magnoni e alla fine questi si sono dispersi”, ha detto Träger. “Siamo stati in grado di dimostrare che il cristallo d spazio-temporale può interagire con altre quasiparticelle. Nessuno è ancora stato in grado di mostrarlo direttamente in un esperimento, figuriamoci in un video”.

Il video rilasciato dalla MaxPlanckSociety mostra l’onda magnetica che si propaga attraverso la banda. Il filmato è ottenuto raggiungendo anche i 40 miliardi di fotogrammi al secondo mediante l’uso del microscopio a raggi X “MAXYMUS”. La ricerca del team mostra che i cristalli temporali magnonici guidati possono essere facilmente manipolati, aprendo un nuovo modo per riconfigurare i cristalli temporali. “Se i cristalli possono interagire non solo nello spazio ma anche nel tempo, aggiungiamo un’altra dimensione di possibili applicazioni. Il potenziale per la comunicazione, il radar o la tecnologia di imaging è enorme”.