Scoperto il "cristallo del tempo", un nuovo stato della materia che viola le leggi della fisica

cristallo tempo
Alcuni ricercatori statunitensi sono riusciti a creare un "cristallo del tempo", uno stato della materia che pare violare le leggi della termodinamica E. Edwards/JQI

A scuola ci hanno insegnato che esistono solamente tre stati della materia: solido, liquido e gassoso. In realtà, questa classificazione è puramente divulgativa, dal momento che gli stati che la materia può assumere al variare di determinate condizioni (come temperatura e pressione) sono in realtà molti di più: forse ricorderete ad esempio come il Nobel per la Fisica 2016 sia stato assegnato a tre scienziati per i loro studi sugli stati esotici della materia.

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I ricercatori del Joint Quantum Institute e della University of Maryland sono riusciti a creare un cosiddetto "time crystal" (cristallo del tempo), un insolito stato della materia che sembra sospendere temporaneamente le leggi della termodinamica. Il cristallo in questione non è altro che il risultato di una concatenazione di ioni che, pur distanziati, continuano ad interagire.

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Cosa sono questi "cristalli del tempo"?

L'idea era stata proposta per la prima volta nel 2012 da Frank Wilczek, scienziato del MIT e Premio Nobel del 2004, che in un paper pubblicato su Physical Review Letters aveva ipotizzato l'esistenza di cristalli disposti nel tempo anziché nello spazio. Si tratta di un concetto piuttosto complesso, che gli scienziati coinvolti provano a spiegare con un esempio riguardante l'acqua.

"Considerate per un momento un'umile pozzanghera d'acqua. Se arrivaste quasi al livello molecolare, sarà difficile distinguere un punto da un altro. Si potrebbe osservare a destra o a sinistra, o girare la testa, ed il trambusto molecolare sarà identico, una situazione che i fisici chiamano 'altamente simmetrica'. Questo cambia bruscamente quando la pozzanghera congela. A differenza dell'acqua liquida, il ghiaccio è un cristallo e guadagna una struttura rigida spontanea quando la temperatura scende. Il congelamento unisce le molecole d'acqua vicine in uno schema regolare, e adesso un piccolo spostamento della testa creerebbe un cambiamento caleidoscopico".

Con le dovute differenze, questo è ciò che accade con questo nuovo stato della materia: come il congelamento distrugge la simmetria dell'acqua, il cristallo del tempo disturba la regolarità nel tempo, la cosiddetta "invarianza". Ciò che ci circonda risponde infatti in sincrono ai cambiamenti nel tempo: "La Terra ruota intorno al Sole una volta all'anno e le stagioni seguono lo stesso periodo: questo è ciò che ci si aspetterebbe naturalmente", spiega Jiehang Zhang, primo autore dello studio.

Con il cristallo del tempo questo non avviene: è come una campana che suona in un momento diverso da quello nel quale è stata colpita. Gli ioni del cristallo sono infatti stati manipolati con impulsi laser, rispondendo esattamente alla metà della velocità che sarebbe stato lecito aspettarsi in condizioni "normali".

Le leggi della termodinamica apparentemente violate

I ricercatori hanno infatti intrappolato 14 ioni di itterbio utilizzando dei fasci laser per manipolare i loro spin, in modo da renderli come dei magneti connessi agli ioni vicini che si comportavano come un cristallo del tempo, ossia come detto oscillando alla metà della frequenza dei laser. Se questo non bastasse, nonostante la notevole quantità di energia introdotta nel sistema, il materiale non si è riscaldato per tutta la durata dell'esperimento. Si tratta di un'eventualità che sembra violare le leggi della termodinamica.

Come se ci fosse bisogno di ulteriori singolarità in tutto questo, gli scienziati coinvolti hanno anche provato a far "sciogliere" il cristallo per verificare la rigidità della sua struttura. "Se si mettessero un po' di palle su un tavolo da biliardo separate esattamente da 10 centimetri, quello sarebbe un cristallo?", ha spiegato Zhang. "Assolutamente no, perché se scuotessi un po' il tavolo si 'romperebbe' tutto".

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Per "scuotere il tavolo", i ricercatori hanno modificato uno degli impulsi laser, osservando come questo non riuscisse a modificare la frequenza, almeno fino ad un certo punto di riscaldamento. Superato questo confine, il cristallo del tempo si dissolveva, esattamente come ci si aspetterebbe da un cristallo di ghiaccio che, se riscaldato, tornerebbe ad essere acqua.

A cosa potrebbe servire la scoperta in termini pratici?

"Questo bizzarro stato della materia risulta da una complessa interazione tra molti controlli quantistici a livello atomico individuale", afferma Christopher Monroe, co-autore dello studio. "Ma i cristalli del tempo possono emergere anche in certi dispositivi allo stato solido, quindi una comprensione generale di questo fenomeno potrebbe aiutare a portare questi sistemi nei futuri dispositivi quantistici".

Difatti, anche se quanto descritto sopra potrebbe sembrare una questione puramente di interesse teorico, esistono anche delle potenziali applicazioni pratiche dei cristalli del tempo. Potrebbero infatti essere sfruttati nei computer quantistici o, per essere più precisi, per proteggere le informazioni nei computer quantistici.

"Anche se qualsiasi applicazione di questo lavoro è lontana nel futuro, questi esperimenti ci aiutano ad imparare qualcosa sulle dinamiche interne di questo stato quantistico molto complesso", ha commentato Monroe.