Discrete time liquids

Il tempo è solitamente concepito come un fiume costante, che scorre in avanti a un ritmo regolare, indifferente agli eventi che accadono lungo le sue rive. Nel mondo della fisica, questo flusso costante è noto come simmetria di traslazione temporale: le leggi della natura non cambiano da un momento all'altro. Per decenni, gli scienziati hanno creduto che se un sistema fosse stato lasciato solo in uno stato di equilibrio termico — dove il calore e l'energia sono distribuiti uniformemente — si sarebbe infine stabilizzato in un modello statico e immutabile. Si riteneva impossibile che un tale sistema potesse spontaneamente iniziare a ticchettare o oscillare da solo, come se avesse un proprio orologio interno. Questa convinzione era così forte da essere codificata in "teoremi di non-esistenza" (no-go theorems), regole matematiche che sembravano proibire qualsiasi forma di ordine temporale in un sistema calmo e bilanciato. Tuttavia, la scoperta dei "cristalli di tempo discreti" ha sfidato questa visione. Questi sono stati speciali della materia che, quando spinti da una forza esterna regolare e ripetitiva, rispondono muovendosi a un ritmo più lento e cadenzato. Essi rompono la simmetria della spinta, bloccandosi in un ritmo che è una frazione della spinta stessa, creando una sorta di struttura temporale che persiste senza svanire. Ma una domanda rimaneva sospesa: potrebbe esistere un simile ordine ritmico senza un metronomo esterno perfetto? Il ordine potrebbe emergere dal puro rumore?

Un team di ricercatori dell'Istituto Max Planck per la Fisica dei Sistemi Complessi e della South China Normal University ha ora risposto a questa domanda identificando un nuovo stato della materia che chiamano "liquido di tempo discreto". In una serie di simulazioni informatiche dettagliate, hanno modellato una griglia bidimensionale di minuscoli spin magnetici, simili agli atomi in un magnete, accoppiata a una cavità — una scatola che intrappola la luce o le onde elettromagnetiche. A differenza degli esperimenti precedenti che utilizzavano un laser esterno perfettamente sincronizzato per guidare il sistema, questo allestimento si basava interamente sulle naturali fluttuazioni termiche della cavità stessa. La cavità era a contatto con un bagno termico, il che significa che le sue vibrazioni interne erano guidate dal rumore termico casuale piuttosto che da un orologio preciso. I ricercatori hanno scoperto che quando la temperatura di questo bagno termico era impostata su un livello intermedio specifico, gli spin non si limitavano a sussultare caoticamente. Al contrario, si agganciavano spontaneamente a un ritmo che era esattamente la metà della frequenza dell'oscillazione naturale della cavità. Questa risposta a periodo raddoppiato è il segno distintivo di un cristallo di tempo, ma con una differenza cruciale: il ritmo non era perfetto.

In un normale cristallo di tempo, il ritmo è rigido e immutabile, come un metronomo che non perde mai un colpo. In questo nuovo stato di "liquido di tempo", il ritmo è robusto ma fragile in un modo specifico. Sebbene gli spin mantenessero il loro moto a periodo raddoppiato per molto tempo, i percorsi individuali del sistema potevano occasionalmente e casualmente passare tra due fasi opposte del ritmo. Immaginate un orologio che tiene il tempo perfettamente per ore, ma ogni tanto le lancette saltano improvvisamente in avanti o indietro di un ciclo intero prima di riprendere il battito corretto. I ricercatori hanno identificato questi salti improvvisi come "solitoni temporali", ovvero difetti topologici nel flusso del tempo. Questi difetti agiscono come glitch nell'ordine temporale; preservano il ritmo locale ma distruggono la sincronizzazione a lungo raggio in tutto il sistema. Poiché questi glitch possono accadere in qualsiasi momento casuale, se osservaste una grande collezione di questi sistemi tutti insieme, i salti casuali si annullerebbero a vicenda e il comportamento medio apparirebbe come un flusso di tempo continuo e fluido. Ciò ripristina efficacemente la simmetria di traslazione temporale che era stata infranta nelle singole traiettorie, suggerendo che questa nuova forma di ordine può esistere anche in equilibrio termico, un regno dove tale ordine era precedentemente ritenuto impossibile.

Lo studio rivela che l'emergere di questo ordine è controintuitivo. Di solito, il calore e il rumore sono visti come nemici dell'ordine, poiché sfumano i modelli e distruggono la struttura. Qui, tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che l'ordine temporale appariva solo quando il rumore termico era abbastanza forte da essere significativo, ma non così forte da sopraffare interamente il sistema. Se la temperatura era troppo bassa, le fluttuazioni termiche erano troppo deboli per innescare la risposta ritmica, e gli spin semplicemente precessavano liberamente. Se la temperatura era troppo alta, il rumore era troppo caotico e il sistema diventava disordinato. Era solo in una stretta finestra di temperatura intermedia che gli spin potevano sfruttare il rumore per creare un ritmo stabile a periodo raddoppiato. Questo fenomeno è stato osservato in simulazioni in cui il tempo di coerenza della cavità — la durata durante la quale le sue oscillazioni rimanevano prevedibili — veniva variato. Quando il tempo di coerenza era lungo, il sistema si comportava come un classico cristallo di tempo con un ritmo fisso. Man mano che il tempo di coerenza si accorciava, il sistema transitava nella fase di "liquido di tempo", dove il ritmo persisteva ma era costantemente interrotto dai solitoni temporali.

I ricercatori hanno confermato che questo comportamento non era un artefatto del loro specifico allestimento, ma una proprietà fondamentale del sistema. Hanno sviluppato un semplice modello matematico che trattava il sistema come una serie di interruttori casuali, dove la probabilità che un "glitch" si verificasse era determinata dalla densità dei solitoni temporali. Questo modello minimo ha riprodotto con successo l'intera distribuzione delle correlazioni temporali osservate nelle complesse simulazioni, suggerendo che il comportamento del sistema a molti corpi potesse essere compreso attraverso la semplice statistica di questi difetti temporali. Le scoperte implicano che il "liquido di tempo" è una fase distinta della materia, diversa sia da un gas disordinato che da un rigido cristallo di tempo. Rappresenta uno stato in cui l'ordine temporale è mantenuto localmente ma è fluido globalmente, permettendo al sistema di esistere in uno stato di equilibrio pur esibendo dinamiche ritmiche complesse.

Questo lavoro apre una nuova via per comprendere come l'ordine possa sorgere dal disordine. Suggerisce che il panorama dei possibili stati della materia è più ricco di quanto precedentemente pensato, con fasi che possono esistere in equilibrio termico e mostrare comunque le firme del comportamento cristallino temporale. I ricercatori propongono che questo fenomeno possa essere osservato in esperimenti del mondo reale, come con atomi ultra-freddi intrappolati in cavità ottiche o in sistemi di materia condensata che coinvolgono polaritoni fononici superficiali, ovvero onde di carica elettrica e vibrazione sulla superficie di un materiale. In questi allestimenti, le fluttuazioni naturali dell'ambiente potrebbero fungere da guida rumorosa, permettendo potenzialmente agli scienziati di creare e studiare questi liquidi di tempo in laboratorio. La scoperta sfida la visione di lungo corso che l'equilibrio termico debba essere uno stato di quiete statica, mostrando invece che può ospitare una forma sottile, simile a un liquido, di tempo che scorre, sobbalza e si riprende, guidata proprio dal rumore che un tempo si pensava dovesse distruggerlo.