Un cristallo temporale è una struttura periodica nel tempo e nello spazio.
Estende l'idea del cristallo nella dimensione temporale, una volta considerata impossibile.
L'idea di una tale struttura è stata proposta da Frank Wilczek nel 2012 . Secondo quest'ultimo, è possibile progettare una struttura composta da un gruppo di particelle che si muovono e ritornano periodicamente al loro stato originale, che formerebbero un "cristallo del tempo". L'espressione è forgiata da ciò che si osserva in un cristallo "classico", la cui struttura atomica mostra una ripetizione di un modello in diverse direzioni dello spazio. In un cristallo temporale, invece, lo schema si ripete periodicamente nel tempo, come un oscillatore.
Secondo Wilczek, tuttavia, questa idea dovrebbe essere distinta dal moto perpetuo (vietato dalle leggi della fisica) perché il cristallo temporale non emette alcuna energia, in particolare per irraggiamento della sua energia rotazionale. Tuttavia, una tale costruzione non può esistere all'equilibrio termodinamico .
Inoltre, solo un'eccitazione periodica esterna può far apparire un cristallo temporale, che però assorbe energia, contrariamente alla proposizione di Frank Wilczek .
L'idea della simmetria traslazionale temporale è che le leggi della fisica (o di un particolare sistema) sono invarianti quando si muovono nel tempo, cioè rimangono le stesse nel futuro o nel passato. Questa simmetria porta alla conservazione dell'energia.
I cristalli spaziali, vale a dire i cristalli nel senso comune, rompono la simmetria per traduzione spaziale: sono disposizioni periodiche di atomi o molecole e non sono invarianti per traslazione o rotazione arbitraria, contrariamente alle leggi della fisica generale, e diversamente dalla maggior parte dei liquidi o gas.
I cristalli temporali rompono la simmetria per traslazione temporale in un modo simile alla rottura discreta della simmetria per traslazione spaziale . Ad esempio, le molecole di un liquido che si solidifica sulla superficie di un cristallo possono allinearsi con le molecole del cristallo, ma con una disposizione meno simmetrica di quella del cristallo (più spaziate per esempio): la simmetria iniziale è rotta. Questa rottura di simmetria ha tre caratteristiche importanti:
I cristalli temporali rompono la simmetria con la traduzione temporale e si ripetono periodicamente nel tempo, anche se le leggi del sistema sono invarianti dalla traduzione temporale. I cristalli temporali attualmente studiati rompono una simmetria per traslazione temporale discreta : sono sistemi forzati da una forza esterna periodica, e oscillano ad una frazione della frequenza di forzatura. La simmetria iniziale è quindi già una simmetria discreta ( ) e non una simmetria continua ( ).
Molti sistemi mostrano un comportamento di rottura della simmetria temporale spontanea: cellule di convezione , reazioni chimiche oscillanti, instabilità aeroelastiche e risposte subarmoniche a una forza periodica come instabilità di Faraday ed echi di spin NMR.
Ma i cristalli temporali (noti come Floquet), sono unici in quanto obbediscono a una definizione rigorosa di rottura della simmetria per traduzione temporale discreta :
Inoltre, la rottura di simmetria dei cristalli temporali è il risultato di interazioni tra gli elementi del sistema, cioè di un processo collettivo , come per un cristallo spaziale.
Nell'ottobre 2016, i ricercatori dell'Università del Maryland hanno affermato di aver creato il primo cristallo temporale discreto (DTC) da una catena di dieci ioni 171 Yb + ( itterbio ) in una trappola Paul . Uno dei due stati di spin è stato selezionato da una coppia di raggi laser . I ricercatori hanno osservato oscillazioni periodiche e sincronizzate degli spin studiati. A differenza dei normali atomi di cristallo, che sono stabili (cioè resistenti ai cambiamenti nello spazio), i cristalli temporali non possono esistere in equilibrio termico (in un sistema sbilanciato di tipo Floquet sottoposto ad un'eccitazione periodica che fornisce correlazioni temporali a frequenze sotto armoniche dell'eccitazione) richiedono quindi per mantenere le loro oscillazioni un contributo esterno di energia che faccia apparire le oscillazioni del cristallo temporale, in condizioni intrinseche al di fuori dell'equilibrio. Questa scoperta è interessante per il calcolo quantistico .