Alcune delle previsioni più profonde della fisica teorica, come le onde gravitazionali di Einstein o il bosone di Higgs, ci sono voluti decenni per dimostrare con gli esperimenti. Ma ogni tanto, una previsione può diventare un fatto stabilito in un tempo sorprendentemente breve. Questo è quello che è successo con i "cristalli del tempo", un nuovo e strano stato della materia che era stato teorizzato, confutato, rinnovato e finalmente creato in soli cinque anni da quando è stato previsto per la prima volta nel 2012.

Cristalli, come il diamante e il quarzo, sono fatti di atomi disposti in uno schema ripetuto nello spazio. In questi nuovi cristalli, anche gli atomi seguono uno schema ripetitivo, ma in tempo. A causa di questa strana proprietà, i cristalli temporali potrebbero un giorno trovare applicazioni in tecnologie rivoluzionarie come l'informatica quantistica.

La storia dei cristalli del tempo inizia nel 2012 con il premio Nobel Frank Wilczek del MIT. Come fisico teorico e matematico, Wilczek ha compiuto un passo cruciale nel trasferire una proprietà chiave dei cristalli regolari, chiamata rottura della simmetria, per creare l'idea dei cristalli temporali.

Per capire cos'è la rottura della simmetria, pensa all'acqua liquida In una goccia d'acqua, le molecole sono libere di muoversi e possono essere ovunque all'interno del liquido. Il liquido sembra lo stesso in qualsiasi direzione, il che significa che ha un alto grado di simmetria. Se l'acqua si congela formando ghiaccio, le forze attrattive tra le molecole le costringono a riorganizzarsi in un cristallo, dove le molecole sono distanziate a intervalli regolari. Ma questa regolarità significa che il cristallo non è simmetrico come il liquido, quindi diciamo che la simmetria del liquido è stata rotta quando si congela nel ghiaccio.

La rottura della simmetria è uno dei concetti più profondi della fisica. È dietro la formazione dei cristalli, ma compare anche in molti altri processi fondamentali. Per esempio, il famoso meccanismo di Higgs, che spiega come le particelle subatomiche arrivino ad acquisire massa, è un processo di rottura della simmetria.

Già nel 2012, Wilczek ebbe un'idea allettante. Si chiese se, allo stesso modo in cui un cristallo rompe la simmetria nello spazio, sarebbe possibile creare un cristallo rompendo una simmetria equivalente nel tempo. Questa è stata la prima volta che è stata teorizzata l'idea di un cristallo temporale.

Tale oggetto avrebbe una regolarità temporale intrinseca, equivalente allo schema regolare del cristallo nello spazio. Per un tempo di cristallo, il modello sarebbe un continuo cambiamento avanti e indietro in una delle sue proprietà fisiche, una specie di battito del cuore che si ripete per sempre, un po' come una macchina del moto perpetuo.

macchine a moto perpetuo, che sono macchine che possono funzionare indefinitamente senza una fonte di energia, sono vietati dalle leggi della fisica. Wilczek riconobbe questa stranezza della sua teoria dei cristalli temporali e, nel 2015, un altro gruppo di fisici teorici ha mostrato che un cristallo a moto perpetuo sarebbe davvero impossibile.

Ma questa non era la fine della storia. Nel 2016, una nuova ricerca ha mostrato che i cristalli temporali potrebbero ancora esistere in teoria, ma solo se ci fosse una forza trainante esterna. L'idea era che la regolarità del tempo sarebbe stata in qualche modo dormiente, nascosto alla vista, e che aggiungere un po' di energia lo avrebbe portato in vita e lo avrebbe svelato. Questo ha risolto il paradosso del moto perpetuo, e ha portato nuove speranze per l'esistenza dei cristalli del tempo.

Quindi, nell'estate del 2016 le condizioni per creare e osservare i cristalli temporali sono state presentate in un articolo nel repository arXiv online, e successivamente pubblicato sulla rivista peer-reviewed Physical Review Letters. I ricercatori hanno studiato come una proprietà speciale delle particelle nota come spin quantistico potrebbe essere ripetutamente invertita da una forza esterna a intervalli regolari. Hanno predetto che se avessero fatto questo a un insieme di particelle, le interazioni tra le particelle produrrebbero le proprie oscillazioni nello spin, creando un cristallo temporale "guidato".

In pochi mesi, due diversi gruppi sperimentali avevano accettato la sfida di creare i cristalli del tempo in laboratorio. Una delle squadre ha sparato impulsi laser a un treno di atomi di itterbio che ha prodotto oscillazioni nelle proprietà degli atomi, ad intervalli diversi dagli impulsi. Ciò significava che gli atomi di itterbio si comportavano come un cristallo temporale.

L'altro team si è concentrato su un sistema completamente diverso, costituito da impurità in un cristallo di diamante. Usavano le microonde per disturbare le impurità a intervalli ben definiti, e ha osservato lo stesso tipo di oscillazioni dei cristalli temporali della prima squadra. Alla fine, erano stati creati i cristalli del tempo e le idee principali di Wilczek si erano dimostrate vere.

Futuro di cristallo

La previsione, la realizzazione e la scoperta dei cristalli temporali apre un nuovo capitolo nella meccanica quantistica, con domande sulle proprietà di questo stato della materia appena scoperto e se i cristalli temporali potrebbero verificarsi in natura.

Le proprietà di rottura della simmetria dei cristalli ordinari hanno portato alla creazione di metamateriali fononici e fotonici, materiali deliberatamente progettati che controllano selettivamente le vibrazioni acustiche e la luce che possono essere utilizzati per aumentare le prestazioni delle protesi, o per aumentare l'efficienza di laser e fibre ottiche. Quindi le proprietà di rottura della simmetria temporale dei cristalli temporali troveranno probabilmente la loro strada in campi altrettanto nuovi, come i crono-metamateriali per l'informatica quantistica, che utilizza le proprietà intrinseche degli atomi per archiviare ed elaborare i dati.

La storia dei cristalli del tempo è iniziata con una bellissima idea di un fisico teorico, e ora ha culminato il suo primo capitolo con prove sperimentali conclusive dopo soli cinque anni. Lungi dal giungere alla fine mentre gli scienziati dimostrano le loro grandi teorie, sembra che la fisica sia più viva che mai.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.