Un'immagine in stop-motion che mostra coppie di sfere su scala millimetrica che formano un cristallo temporale nell'arco di circa un terzo di secondo nel tempo. I colori rappresentano le perle che interagiscono in diverse fasi durante questo periodo.
I cristalli temporali levitanti stanno rivoluzionando la fisica moderna: particelle che oscillano, sfidano la Terza Legge di Newton e interagiscono tramite onde sonore, aprendo nuove frontiere per quantum computing, data storage e tecnologie non‑reciproche
Cristalli del tempo che levitano nell’aria: la scoperta scientifica che sembra fantascienza.
I cristalli temporali, una collezione di particelle che “ticchettano” - ovvero si muovono avanti e indietro in cicli ripetuti - sono stati prima teorizzati e poi scoperti circa un decennio fa. Sebbene gli scienziati non abbiano ancora creato applicazioni commerciali o industriali per questa intrigante forma di materia, questi cristalli promettono molto per il progresso del calcolo quantistico e dell’archiviazione dei dati, tra gli altri usi.
Nel corso degli anni, diversi tipi di cristalli temporali sono stati osservati o creati, e le loro varie proprietà offrono una gamma di potenziali applicazioni.
Un team di ricercatori di fisica della New York University ha ora osservato un nuovo tipo di cristallo temporale - uno le cui particelle levitano su un cuscino di suono mentre interagiscono tra loro scambiandosi onde sonore. In questo processo, queste particelle sfidano la Terza Legge del Moto di Newton, la quale afferma che per ogni azione di un oggetto esiste una reazione uguale e contraria - il che significa che le forze si presentano sempre in coppie bilanciate (cioè uguali in magnitudine e opposte in direzione). Al contrario, nella scoperta della NYU, le particelle, o perline, interagiscono in modo più indipendente e non sono necessariamente vincolate a forze bilanciate - si muovono in modo non reciproco.
I risultati, pubblicati sulla rivista Physical Review Letters (1), ampliano le prospettive che questi cristalli offrono per la tecnologia e l’industria. In particolare, questi cristalli temporali, che possono essere visti a occhio nudo, sono sospesi su un dispositivo alto circa 30 centimetri che si può tenere in mano.
«I cristalli temporali sono affascinanti non solo per le loro possibilità, ma anche perché sembrano così esotici e complicati», afferma il professor David Grier (2), direttore del Center for Soft Matter Research della NYU e autore senior dell’articolo. «Il nostro sistema è notevole perché è incredibilmente semplice».
La ricerca, condotta insieme a Mia Morrell, una studentessa laureata della NYU, e Leela Elliott, una studentessa universitaria della NYU, offre anche spunti sui nostri orologi biologici o ritmi circadiani. Questo perché, come i cristalli temporali appena scoperti, alcune reti biochimiche interagiscono anch’esse in modo non reciproco - compreso il modo in cui il nostro corpo lavora per scomporre il cibo.
Il cristallo temporale scoperto è costituito da perline di polistirolo - simili a quelle usate negli imballaggi - sospese da onde sonore, che hanno funzionato come un “levitatore acustico” per mantenere inizialmente le perline immobili a mezz’aria.
«Le onde sonore esercitano forze sulle particelle proprio come le onde sulla superficie di uno stagno possono esercitare forze su una foglia galleggiante», spiega Morrell. «Possiamo far levitare oggetti contro la gravità immergendoli in un campo sonoro chiamato onda stazionaria».
Fondamentalmente, quando queste particelle levitate interagivano tra loro, lo facevano scambiandosi onde sonore diffuse. Più specificamente, le particelle più grandi diffondono più suono rispetto a quelle più piccole. Pertanto, una particella grande influenzerà una particella piccola più di quanto la particella piccola influenzi la particella grande.
Di conseguenza, l’interazione tra una particella piccola e una grande è sbilanciata.
«Pensa a due traghetti di dimensioni diverse che si avvicinano a un molo», dice Morrell. «Ognuno genera onde nell’acqua che spingono l’altro ma in misura diversa, a seconda delle loro dimensioni».
Inoltre, queste interazioni mediate dalle onde non sono vincolate dalla Terza Legge di Newton, permettendo alle perline di oscillare spontaneamente mentre restano sospese a mezz’aria, scandendo un ritmo che bilancia con precisione le forze insolite a cui sono sottoposte.
Riferimenti:
(1) Nonreciprocal Wave-Mediated Interactions Power a Classical Time Crystal
(2) David Grier
Descrizione foto: Un'immagine in stop-motion che mostra coppie di sfere su scala millimetrica che formano un cristallo temporale nell'arco di circa un terzo di secondo nel tempo. I colori rappresentano le perle che interagiscono in diverse fasi durante questo periodo. - Credit: Image courtesy of NYU's Center for Soft Matter Research.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Scientists Discover “Levitating” Time Crystals that You Can Hold in Your Hand