Uno legge cristalli temporali e pensa a Doctor Who, una battuta fin troppo facile a cui non ha resistito nemmeno la divulgatrice che sulla serissima Nature si è assunta il compito di riassumere la storia della scoperta che ha portato ai due articoli scientifici pubblicati sulla stessa rivista: Observation of discrete time crystal e
Observation of discrete time-crystalline order in a disordered dipolar many-body system.
L’importanza di quanto realizzato separatamente dai due team (ma uno dei ricercatori, Norman Y. Yao, è tra i firmatari in entrambi gli studi) è dimostrata dal fatto che dal punto di vista teorico si trattava di indagare su un’idea assolutamente rivoluzionaria, quasi eretica, proposta appena nel 2012 dal fisico Frank Wilczek.
Prima di spiegare a grandi linee cosa prevedeva la teoria e cosa hanno realizzato gli scienziati dei due team mi tocca fare una premessa, di solito evito di riportare notizie su cui si gettano tutti, anche i media generalisti, ma a parte che questa era troppo interessante per ignorarla, devo anche aggiungere che vorrei fare chiarezza su un punto: purtroppo i miei colleghi divulgatori si devono essere persi nei lunghi articoli esplicativi come quello di Nature o forse hanno problemi con l’inglese, perchè in molti articoli in italiano ho letto che i cristalli realizzati sono nel loro più basso stato energetico, così come previsto dalla teoria di Wilczek. Non è così, infatti quello che è stato realizzato è seppur interessantissimo una versione leggermente meno dirompente dell’idea proposta da Wilczek.
L’idea di Wilczek, cosa sono i cristalli temporali
Le leggi della fisica sono simmetriche, il che vuol dire che si applicano allo stesso modo a tutti i punti dello spazio e del tempo. Eppure in natura conosciamo un sacco di situazioni in cui questa simmetria viene infranta, ad esempio nei magneti in cui le cariche magnetiche hanno un orientamento o nei cristalli in cui gli atomi occupano posizioni precise nello spazio e basta spostare leggermente il cristallo perchè non sembri più lo stesso. Rottura della simmetria nello spazio dunque, l’idea eretica di Wilczek fu: potrebbero esistere dei cristalli che oscillando ripetendosi nel tempo rompano questa simmetria anche in questa quarta dimensione dello spaziotempo? Gli scienziati immaginarono concettualmente questi cristalli temporali come un anello di atomi che ruotano senza fine tornando alla loro posizione iniziale, senza bisogno di intervento esterno, pur trovandosi nel loro più basso stato energetico. Un tipo di moto perpetuo quindi, ma da cui non si può ricavare energia in nessuno modo, sia chiaro. La reazione istintiva degli scienziati fu “no, è impossibile non si può fare”, ma, questo mi preme sottolineare, la scienza non funziona così, se qualcuno come Wilczek propone un’idea eretica ma il suo ragionamento teorico non può semplicemente essere messo da parte perchè palesemente errato, quegli stessi scienziati si mettono a lavorare per dimostrare che a livello pratico quello che lui dice è impossibile. Come? cercando di realizzarlo!
Cosa hanno realizzato davvero gli scienziati
Altra situazione simpatica che si verifica spesso nella scienza: la svolta è arrivata per caso (del resto pure Penzias e Wilson scoprirono la radiazione cosmica di fondo, traccia “fossile” del Big Bang, per caso). Alcuni ricercatori dell’università di Princeton che si occupano di fisica quantistica stavano investigando una loro teoria, i libri di fisica dicono che se un in brodo di particelle che interagiscono tra loro si immette energia il composto si scalda e decade nel caos, i ricercatori ipotizzarono però che in certe condizioni le particelle si sarebbero invece riunite a formare un nuovo stato della materia non in equilibrio ma con schemi che si ripetevano nel tempo.
Quest’ultima idea non poteva non attirate l’attenzione di Chetan Nayak dell’università della California che è un ex-studente di Wilczek. Nayak e colleghi capirono che questa materia non in equilibrio ma che si ripeteva sempre uguale nel tempo poteva essere considerata un cristallo temporale, anche se non del tipo proposto dal suo maestro, le differenze sono che non si trova in equilibrio nel suo più basso stato di energia e che per “funzionare” ha bisogno di un impulso esterno, però poi guadagna un suo ritmo stabile diverso da quello dell’impulso esterno, infrangendo quindi la regola della simmetria per quel che riguarda il tempo. Non entro nei particolari tecnici dei due esperimenti che sono molto complicati, certamente lo sono per me, basterà sottolineare che la capacità di manipolare i singoli atomi e l’uso dei laser sono gli elementi base che hanno permesso questi esperimenti. Una cosa molto interessante verificata in uno dei due esperimenti è che una volta che il “sistema” era a regime, se gli scienziati variavano leggermente l’impulso esterno questo non aveva effetto sulla periodicità dell’oscillazione, cioè il cristallo temporale mostra una certa resistenza al cambiamento una volta che si è stabilizzato su un ritmo, esattamente come i cristalli spaziali mostrano resistenza se si cerca di spostare i loro atomi. Sembra una risposta a quegli scienziati che non considerano questa realizzazione attenuata rispetto all’idea di Wilczek un vero cristallo temporale.
Ora gli scienziati stanno immaginando le possibili future applicazioni di questi cristalli temporali, ovviamente la prima a cui si è pensato è il nascente campo dei computer quantistici.
Roberto Todini
