La materia può assumere diverse forme, a seconda della disposizione delle sue particelle, e la forma più comune e familiare è quella dei cristalli, che sono strutture ordinate e simmetriche che si ripetono nello spazio, ad esempio, il sale, lo zucchero, la neve e i diamanti sono tutti esempi di cristalli.
Ma esiste un’altra forma di materia, molto più rara e misteriosa, che si ripete non solo nello spazio, ma anche nel tempo, si tratta dei cristalli del tempo, che sono stati teorizzati per la prima volta nel 2012 dal premio Nobel per la fisica Frank Wilczek.
I cristalli del tempo sono disposizioni di particelle che oscillano periodicamente, con una certa frequenza, senza bisogno di alcuna energia esterna. In altre parole, sono sistemi che mantengono una costante attività dinamica, anche se le loro proprietà possono cambiare nel tempo; questo li rende diversi dai cristalli ordinari, che sono statici e immutabili.
I cristalli del tempo sono quindi una forma di materia non-equilibrio, che sfida le leggi della termodinamica e del movimento perpetuo.
Per capire meglio cosa sono i cristalli del tempo, possiamo immaginare un orologio complesso, in cui i numeri appaiono da strane parti meccaniche che si uniscono una volta al minuto, oppure possiamo pensare alle lune di Giove, che orbitano intorno al pianeta in una precisa risonanza.
Queste sono analogie utili, ma non perfette, perché richiedono energia e perdono energia, un cristallo del tempo, invece, non ha bisogno di alcuna fonte di energia, né ne dissipa. Si tratta di un sistema isolato, che si auto-organizza e si auto-mantiene.
La scoperta dei cristalli del tempo
La teoria dei cristalli del tempo è stata proposta da Wilczek nel 2012, ma è stata inizialmente accolta con scetticismo dalla comunità scientifica, che riteneva impossibile la loro esistenza. Tuttavia, negli ultimi anni, sono stati realizzati diversi esperimenti che hanno dimostrato la possibilità di creare e osservare i cristalli del tempo in laboratorio.
Uno dei primi esperimenti è stato condotto nel 2016 da un gruppo di ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) negli Stati Uniti, che ha usato una catena di ioni di itterbio per creare un cristallo del tempo.
Gli ioni sono stati sottoposti a un campo elettrico oscillante, che li ha fatti vibrare con una certa frequenza, al che gli ioni hanno mostrato una risposta insolita: hanno iniziato a oscillare con una frequenza doppia rispetto a quella del campo elettrico. Questo significa che gli ioni hanno formato un cristallo del tempo, che si ripete due volte per ogni ciclo del campo elettrico.
Un altro esperimento è stato realizzato nel 2017 da un team di fisici dell’Università di Harvard, che ha usato un sistema di atomi di nitrogento intrappolati in un diamante. Gli atomi sono stati esposti a un campo magnetico e a un impulso laser, che li hanno indotti a formare uno stato di spin polarizzato, con lo spin che è una proprietà quantistica che può essere paragonata a una piccola bussola magnetica. Gli atomi hanno poi iniziato a invertire il loro spin periodicamente, creando, anche in questo caso, un cristallo del tempo.
I cristalli del tempo creati in questi esperimenti erano però molto fragili e instabili, e duravano solo pochi millisecondi, per questo motivo, alcuni scienziati hanno messo in dubbio la loro natura di veri cristalli del tempo, e li hanno considerati solo come fenomeni transitori. Per dimostrare che i cristalli del tempo sono una forma di materia stabile e duratura, era necessario creare un cristallo del tempo più robusto e resistente.
Questo è stato l’obiettivo di un recente studio, pubblicato sulla rivista Nature Physics, condotto da un gruppo di fisici dell’Università TU di Dortmund in Germania, con i ricercatori che hanno usato un materiale semiconduttore chiamato arseniuro di indio e gallio, che ha la proprietà di essere leggermente magnetizzato.
Il materiale è stato manipolato in modo simile alla risonanza magnetica nucleare, una tecnica usata per studiare la struttura molecolare e atomica, in questo modo, gli spin dei nuclei atomici del materiale sono stati polarizzati, e hanno interagito con gli spin degli elettroni. Questa interazione ha generato la formazione di un cristallo del tempo, che si ripeteva con una certa periodicità.
La novità di questo esperimento è stata la durata del cristallo del tempo, che ha superato i 40 minuti. Si tratta di un tempo 10 milioni di volte maggiore rispetto ai cristalli del tempo precedenti, e che potrebbe essere ancora più lungo, inoltre i ricercatori sono stati in grado di controllare e modificare la periodicità del cristallo, variando la frequenza e l’intensità del campo magnetico.
Questo ha permesso di studiare le proprietà e le dinamiche del cristallo del tempo in modo più approfondito.
Le applicazioni dei cristalli del tempo
I cristalli del tempo sono una scoperta rivoluzionaria, che apre nuove frontiere nella fisica della materia e nella scienza dei materiali, essi rappresentano una nuova forma di ordine spazio-temporale, che potrebbe avere implicazioni per la comprensione dei fenomeni quantistici e delle fasi della materia, per di più potrebbero avere applicazioni pratiche in diversi ambiti, come la computazione quantistica, la metrologia, la criptografia e la comunicazione.
La computazione quantistica è una tecnologia che sfrutta le proprietà quantistiche delle particelle, come lo spin, per eseguire operazioni e calcoli molto più veloci e potenti di quelli possibili con i computer classici. I cristalli del tempo potrebbero essere usati come qubit, le unità di informazione quantistica, che possono assumere due o più stati contemporaneamente.
I cristalli del tempo, infatti, hanno la capacità di mantenere la loro coerenza quantistica, cioè la loro capacità di interagire tra loro senza perdere le loro proprietà, per un tempo molto lungo, e questo li rende dei candidati ideali per realizzare computer quantistici più stabili e affidabili.
La metrologia è la scienza delle misure, che si occupa di stabilire e verificare gli standard e le unità di misura di grandezze fisiche, come il tempo, la lunghezza, la massa, la temperatura, ecc. In questo ambito i cristalli potrebbero essere usati come orologi atomici, che sono i dispositivi più precisi per misurare il tempo, basati sulle oscillazioni degli atomi.
I cristalli del tempo, infatti, hanno la caratteristica di oscillare con una frequenza costante e indipendente da qualsiasi fattore esterno, come la temperatura, la pressione, il campo magnetico, ecc., e questo li renderebbe dei possibili orologi atomici più accurati e resistenti.
La criptografia è l’arte di proteggere le informazioni, rendendole inaccessibili a chi non ne ha il diritto, si basa sull’uso di algoritmi e codici che trasformano i dati in sequenze di simboli incomprensibili, che possono essere decifrati solo da chi possiede la chiave segreta, e qui potrebbero essere usati per generare delle chiavi segrete, che sono delle sequenze di bit casuali e imprevedibili, che servono per cifrare e decifrare i dati.
I cristalli del tempo, infatti, hanno la proprietà di produrre delle oscillazioni irregolari e caotiche, che possono essere usate come fonte di casualità e imprevedibilità.
La comunicazione è il processo di trasmissione e ricezione di informazioni tra due o più soggetti, si basa sull’uso di segnali, che possono essere di natura acustica, visiva, elettrica, ecc., ed in questa circostanza potrebbero essere usati per generare e modulare dei segnali, che possono essere usati per trasmettere e ricevere dati.
I cristalli del tempo, infatti, hanno la capacità di emettere delle radiazioni elettromagnetiche, che possono essere usate come portanti di informazione. Inoltre, i cristalli del tempo possono essere sintonizzati e manipolati, per variare la frequenza e l’ampiezza delle radiazioni, creando dei codici e delle modulazioni.
Queste sono solo alcune delle possibili applicazioni dei cristalli del tempo, che sono ancora in fase di studio e di sviluppo, di certo c’è solo che sono una scoperta sorprendente e affascinante, che ci mostra come la materia possa assumere forme inaspettate e meravigliose, che sfidano le nostre intuizioni e le nostre conoscenze. I cristalli del tempo sono una finestra sul mondo quantistico, che ci offre nuove opportunità di esplorazione e di innovazione
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