Il concetto di un sistema che operi in un ciclo continuo e infinito, analogamente a un orologio le cui lancette si muovono perpetuamente senza alimentazione esterna, ha trovato una recente realizzazione in fisica. Ricercatori presso l’Università del Colorado a Boulder hanno annunciato la creazione di una forma inedita e autosufficiente di quello che è definito cristallo del tempo.
Cristallo del tempo autonomo: una nuova fase della materia visibile
Un cristallo del tempo rappresenta una fase della materia in cui le sue componenti, siano esse atomi o particelle, mantengono un movimento continuo e ripetitivo che si protrae indefinitamente. Per questa realizzazione, il team ha impiegato cristalli liquidi vorticosi, materiali identici a quelli utilizzati negli schermi degli smartphone. Quando vengono illuminati, questi cristalli liquidi esibiscono schemi di movimento che si ripetono all’infinito nel tempo.
Sebbene i cristalli del tempo fossero già stati realizzati in precedenza, questa versione segna un significativo progresso poiché è la prima a essere direttamente osservabile, aprendo la strada a potenziali utilizzi pratici. Come confermato da Hanqing Zhao, autore principale dello studio, il cristallo del tempo può essere osservato “direttamente al microscopio e, in condizioni particolari, anche a occhio nudo”.
La realizzazione del cristallo del tempo e il suo funzionamento
Un team di fisici dell’Università del Colorado a Boulder ha condotto l’esperimento preparando celle di vetro che contenevano cristalli liquidi. Questi materiali sono composti da molecole a forma di bastoncello che esibiscono un comportamento ibrido, possedendo proprietà sia dei solidi che dei liquidi.
Quando le celle sono state illuminate sotto specifiche condizioni, le molecole hanno iniziato a muoversi e a vorticare in modi che si ripetono ciclicamente. Al microscopio, i campioni mostrano motivi che assomigliano a strisce irregolari e colorate. Questi movimenti possono persistere per ore, evocando l’immagine di un orologio che opera all’infinito. Come descritto dal ricercatore Smalyukh: “Tutto nasce dal nulla. Tutto ciò che fai è accendere una luce, e questo intero mondo di cristalli temporali emerge”.
Sebbene i cristalli del tempo possano sembrare un concetto da fantascienza, la loro idea trae ispirazione direttamente dai cristalli naturali, come il sale da cucina o il diamante. L’idea dei cristalli temporali fu proposta per la prima volta nel 2012 dal premio Nobel Frank Wilczek. I cristalli tradizionali, come la struttura reticolare degli atomi di carbonio in un diamante, sono considerati “cristalli spaziali” poiché mantengono una struttura geometrica fissa nello spazio.
Wilczek ipotizzò se fosse possibile creare una struttura ordinata, ma nel tempo anziché nello spazio. In questo ipotetico stato di riposo, gli atomi non formerebbero un reticolo statico, ma si muoverebbero o si trasformerebbero in un ciclo infinito, come una sequenza animata che si ripete incessantemente.
I ricercatori Zhao e Smalyukh sono affiliati al satellite del Colorado dell’International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI-SKCM2), che ha sede presso l’Università di Hiroshima in Giappone e si dedica alla creazione di forme artificiali di materia per contribuire alla sostenibilità.
Il metodo basato sui cristalli liquidi
Sebbene l’idea originale di Frank Wilczek di un cristallo del tempo perfetto si sia rivelata irrealizzabile, gli scienziati hanno sviluppato fasi della materia che vi si avvicinano. Un esempio significativo è avvenuto nel 2021, quando i fisici hanno utilizzato il computer quantistico Sycamore di Google per manipolare una rete di atomi.
Azionando questi atomi con un raggio laser, hanno indotto fluttuazioni che si ripetevano in modo ciclico. Nel loro recente studio, i ricercatori Zhao e Smalyukh hanno cercato di replicare un fenomeno analogo utilizzando i cristalli liquidi, un sistema molto più accessibile. L’esperimento prevedeva l’inserimento di una soluzione di cristalli liquidi tra due lastre di vetro ricoperte da molecole di colorante.
Smalyukh ha spiegato che, comprimendo queste molecole in modo specifico, esse si aggregano strettamente fino a formare delle pieghe. La proprietà sorprendente è che queste pieghe sono dinamiche e, in determinate condizioni, arrivano a comportarsi come vere e proprie particelle: “Ci sono queste torsioni, e non è facile eliminarle. Si comportano come particelle e iniziano a interagire tra loro”.
In assenza di stimoli esterni, i campioni di cristalli liquidi rimanevano per lo più statici. Tuttavia, nel momento in cui il gruppo li ha esposti a un tipo specifico di luce, le molecole di colorante hanno alterato il loro orientamento e compresso i cristalli liquidi. Questo processo ha innescato la formazione improvvisa di migliaia di nuove pieghe.
Questi nodi hanno iniziato un’interazione incredibilmente complessa, seguendo schemi che si possono visualizzare come una coreografia altamente strutturata e ripetitiva. La caratteristica distintiva di questo cristallo temporale è la sua eccezionale robustezza: i ricercatori potevano persino aumentare o diminuire la temperatura dei campioni senza interromperne il movimento ciclico. “È questa la bellezza di questo cristallo temporale,” ha affermato Smalyukh. “Si creano semplicemente delle condizioni che non sono poi così speciali. Si accende una luce e tutto accade.” Zhao e Smalyukh ritengono che questi cristalli temporali aprano la porta a diverse applicazioni pratiche.
Una potenziale applicazione riguarda la sicurezza e l’anticontraffazione. I governi potrebbero integrare questi materiali nelle banconote come una “filigrana temporale”. Per verificarne l’autenticità, basterebbe illuminare la banconota e osservare il pattern di movimento unico e complesso che emerge..
Inoltre, la capacità di sovrapporre diversi cristalli temporali per generare pattern ancora più intricati suggerisce la possibilità di immagazzinare enormi quantità di dati digitali. Smalyukh ha espresso l’entusiasmo del team riguardo al potenziale futuro: “Non vogliamo porre limiti alle applicazioni in questo momento. Penso che ci siano opportunità per spingere questa tecnologia in ogni direzione”.
Lo studio è stato pubblicato su Nature Materials.
