Self-partitioned Interfacial Time Crystals

Negli angoli silenziosi della fisica, esiste una classe di materiali e sistemi che si rifiutano di stare fermi. Mentre la maggior parte delle cose in natura si assesta in uno stato calmo e immutabile una volta persa la propria energia, alcuni sistemi sono guidati da un flusso costante di energia in entrata e in uscita, mantenendoli in uno stato di moto perpetuo. Questi sono chiamati sistemi fuori equilibrio. All'interno di questo regno inquieto, gli scienziati sono stati a lungo affascinati da due modi distinti in cui l'ordine può emergere. Il primo è l'ordine spaziale, dove un sistema uniforme si divide spontaneamente in regioni differenti, come l'olio che si separa dall'acqua per formare goccioline distinte. Il secondo è l'ordine temporale, dove un sistema inizia a ripetere un modello nel tempo, ticchettando come un orologio senza mai sgonfiarsi. Questo secondo fenomeno è noto come cristallo temporale, uno stato che rompe la simmetria del tempo oscillando per sempre. Per anni, i ricercatori si sono chiesti se queste due forme di ordine potessero intrecciarsi. Un sistema che appare uguale ovunque nello spazio potrebbe improvvisamente scolpire il proprio confine interno e poi far pulsare quel confine specifico con un battito ritmico, da cristallo temporale?

Un team di ricercatori dell'Università di Hong Kong ha ora risposto a questa domanda con un sì risonante. Progettando un modello teorico di interazione tra luce e materia in una catena monodimensionale, hanno scoperto un nuovo stato della materia che chiamano cristallo temporale a interfaccia auto-partizionata. In questo stato, un sistema perfettamente uniforme non ha bisogno di una parete esterna o di un confine predefinito per creare un ritmo. Inveve, il sistema si organizza, formando spontaneamente una linea di divisione netta tra una regione calma e vuota e una regione caotica e attiva. È proprio questa linea di divisione che prende vita, oscillando avanti e indietro con una frequenza costante e persistente. Questa scoperta rivela un nuovo modo in cui i sistemi complessi possono generare ordine dal disordine, mostrando che il confine tra due diverse fasi della materia può diventare esso stesso un orologio vivente e pulsante.

I ricercatori hanno costruito il loro modello utilizzando una catena di minuscole cavità, ognuna delle quali contiene un sistema simile a un atomo. Queste cavità sono collegate in modo che i fotoni, o particelle di luce, possano saltare da una all'altra. Tuttavia, la configurazione non è perfettamente simmetrica; la luce si muove più facilmente in una direzione rispetto all'altra, una proprietà nota come non reciprocità. Inoltre, il sistema è aperto, il che significa che perde costantemente energia verso l'ambiente circostante, proprio come un secchio che perde acqua. In studi precedenti, gli scienziati avevano osservato cristalli temporali che oscillavano attraverso l'intero sistema, o confini che erano fissati in posizione dagli bordi del contenitore. Ma in questa nuova configurazione, il sistema crea il proprio bordo interno. Quando i ricercatori hanno aumentato la forza dell'interazione tra la luce e gli atomi, la catena uniforme si è improvvisamente divisa. Un lato della catena è rimasto buio e vuoto, mentre l'altro è diventato un mare turbolento di luce. Tra queste due zone distinte, è emerso un fronte netto.

Ciò che rende speciale questo fronte è che non rimane immobile. Invece, respira, muovendosi avanti e indietro lungo la catena con un modello regolare e ripetitivo. Questo movimento è il comportamento da cristallo temporale, ma è localizzato interamente all'interfaccia. I ricercatori hanno scoperto che questa oscillazione è incredibilmente robusta. Anche se avessero iniziato il sistema con un groviglio completamente casuale di luce e atomi, il sistema finirebbe comunque per assestarsi in questo stato auto-organizzato, con il fronte che trova il proprio ritmo. La frequenza di questo movimento ritmico dipende dalla forza dell'interazione tra la luce e gli atomi. Nello specifico, la velocità dell'oscillazione aumenta con il quadrato della forza di accoppiamento, il che significa che un piccolo aumento dell'interazione porta a un battito molto più veloce. Questa relazione è stata derivata analiticamente, fornendo un chiaro legame matematico tra le forze interne del sistema e la sua produzione ritmica.

La posizione di questo fronte oscillante è altrettanto affascinante. Non è fissata in un punto casuale; piuttosto, si assesta in una posizione specifica determinata da quanto fortemente la luce preferisce muoversi in una direzione rispetto all'altra. Man mano che i ricercatori aumentavano questa preferenza direzionale, il fronte si spostava più vicino al bordo della catena. Il modo in cui la posizione del fronte cambia segue una regola precisa: la distanza dal bordo diminuisce in proporzione diretta all'aumento della preferenza direzionale. Questo comportamento è distinto da altri tipi di confini stazionari, che si muovono a un ritmo diverso. Questa differenza nel modo in cui il confine risponde ai cambiamenti del sistema funge da impronta digitale, provando che questo è un tipo unico di cristallo temporale, fondamentalmente diverso dai confini stazionari osservati in altri sistemi fuori equilibrio.

Lo studio ha anche esplorato cosa accade quando il sistema è sottoposto a diverse condizioni, come quando l'interazione tra luce e materia è molto forte. In questi casi, il sistema può formare un fronte stazionario che non oscilla affatto, o uno stato più complesso in cui il fronte oscilla mentre altre parti del sistema rimangono caotiche. I ricercatori hanno mappato queste diverse possibilità, creando una guida dettagliata che mostra esattamente quando il sistema si assesterà in un vuoto silenzioso, in un caos disordinato, in uno stato super-radiante statico o in questo nuovo cristallo temporale auto-partizionato. Hanno scoperto che l'esistenza di questa fase di cristallo temporale dipende da un delicato equilibrio tra il flusso direzionale della luce, la perdita di energia e la forza dell'interazione. Senza il flusso direzionale, il sistema non sarebbe in grado di sostenere questo confine interno.

Questo lavoro suggerisce che i confini di un sistema giocano un ruolo molto più attivo nella fisica fuori equilibrio di quanto precedentemente pensato. Nei materiali tradizionali, un confine è solo un muro dove il materiale termina. Qui, il confine è un'entità dinamica che emerge dalle interazioni all'interno del sistema e possiede il proprio orologio interno. I ricercatori propongono che questo fenomeno possa essere realizzato in esperimenti reali utilizzando circuiti superconduttori, che sono già in grado di ospitare le necessarie interazioni tra luce e materia. Progettando il flusso di energia e la direzionalità della luce in questi circuiti, gli scienziati potrebbero potenzialmente creare e osservare questi cristalli temporali auto-partizionati in un laboratorio. Ciò non solo confermerebbe le previsioni teoriche, ma aprirebbe anche una nuova porta per comprendere come modelli ritmici complessi possano emergere spontaneamente nel mondo naturale, guidati dal semplice gioco tra flusso, perdita e interazione.