Un cristallo temporale visto al microscopio.
Un orologio eterno senza elettricità diventa realtà con i cristalli temporali visibili. Grazie ai cristalli liquidi, i ricercatori hanno aperto nuove prospettive che vanno dalla sicurezza anti-contraffazione alla memoria digitale, segnando un passo rivoluzionario nella fisica moderna
Fisici hanno creato un nuovo cristallo temporale che cambierà completamente il modo in cui pensiamo alla tecnologia.
Immagina un orologio che non ha elettricità, ma le cui lancette e ingranaggi girano da soli per l’eternità.
In un nuovo studio, i fisici della CU Boulder hanno utilizzato cristalli liquidi, gli stessi materiali presenti nel display del tuo telefono, per creare un simile orologio o, almeno, qualcosa di quanto più vicino gli esseri umani possano arrivare a quell’idea. Il progresso del team è un nuovo esempio di “cristallo temporale”. È questo il nome di una curiosa fase della materia in cui le componenti, come atomi o altre particelle, esistono in moto costante.
I ricercatori non sono i primi a realizzare un cristallo temporale, ma la loro creazione è la prima che gli esseri umani possono effettivamente vedere, il che potrebbe aprire la strada a numerose applicazioni tecnologiche.
«Possono essere osservati direttamente al microscopio e persino, in condizioni speciali, a occhio nudo», ha dichiarato il dottor Hanqing Zhao (1), autore principale dello studio e studente laureato presso il Dipartimento di Fisica della CU Boulder.
Lui e Ivan I. Smalyukh, professore di fisica e membro del Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI), hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature Materials (2).
Nello studio, i ricercatori hanno progettato celle di vetro riempite di cristalli liquidi - in questo caso, molecole a forma di bastoncino che si comportano un po’ come un solido e un po’ come un liquido. In circostanze particolari, se si proietta della luce su di esse, i cristalli liquidi inizieranno a vorticare e muoversi, seguendo schemi che si ripetono nel tempo.
Al microscopio, questi campioni di cristalli liquidi assomigliano a strisce psichedeliche di tigre e possono continuare a muoversi per ore simili a quell’orologio che gira eternamente.
«Ogni cosa nasce dal nulla», ha detto Smalyukh. «Tutto ciò che fai è proiettare una luce, e questo intero mondo di cristalli temporali emerge».
I professori Hanqing Zhao e Ivan I. Smalyukh (3) sono membri del satellite del Colorado dell’International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI-SKCM2), con sede presso l’Hiroshima University in Giappone, un istituto internazionale con la missione di creare forme artificiali di materia e contribuire alla sostenibilità.
Cristalli nello spazio e nel tempo
I cristalli temporali possono sembrare qualcosa uscito dalla fantascienza, ma traggono ispirazione dai cristalli che si formano naturalmente, come i diamanti o il sale da tavola.
Il premio Nobel Frank Wilczek propose per la prima volta l’idea dei cristalli temporali nel 2012. Si può pensare ai cristalli tradizionali come a “cristalli spaziali”. Gli atomi di carbonio che compongono un diamante, per esempio, formano un reticolo nello spazio che è molto difficile da rompere. Wilczek si domandò se fosse possibile costruire un cristallo organizzato in modo simile, ma nel tempo piuttosto che nello spazio. Anche nel loro stato di quiete, gli atomi in una tale condizione non formerebbero un reticolo, bensì si muoverebbero o trasformerebbero in un ciclo senza fine - come una GIF che si ripete all’infinito.
Il concetto originale di Wilczek si rivelò impossibile da realizzare, ma negli anni successivi gli scienziati hanno creato fasi della materia che si avvicinano ragionevolmente a quell’idea.
Nel 2021, per esempio, i fisici hanno utilizzato il computer quantistico Sycamore di Google per creare una rete speciale di atomi. Quando il team ha dato a quegli atomi un impulso con un raggio laser, essi hanno subito fluttuazioni che si ripetevano più volte.
Cristalli danzanti
Nel nuovo studio, Zhao e Smalyukh hanno cercato di vedere se potessero ottenere un risultato simile con i cristalli liquidi.
Smalyukh ha spiegato che, se si comprimono queste molecole nel modo giusto, esse si raggruppano così strettamente da formare delle pieghe. In modo sorprendente, queste pieghe si muovono e possono persino, in determinate condizioni, comportarsi come atomi.
«Hai queste torsioni, e non puoi rimuoverle facilmente», ha detto Smalyukh. «Si comportano come particelle e iniziano a interagire tra loro».
Nello studio attuale, Smalyukh e Zhao hanno inserito una soluzione di cristalli liquidi tra due pezzi di vetro rivestiti con molecole di colorante. Da soli, questi campioni rimanevano per lo più immobili. Ma quando il gruppo li ha colpiti con un certo tipo di luce, le molecole di colorante hanno cambiato la loro orientazione e hanno compresso i cristalli liquidi. Nel processo, migliaia di nuove pieghe si sono improvvisamente formate.
Quelle pieghe hanno anche iniziato a interagire tra loro seguendo una sequenza incredibilmente complessa di passaggi. Immagina una stanza piena di ballerini in un romanzo di Jane Austen. Le coppie si separano, girano per la stanza, si riuniscono e ripetono tutto da capo. I modelli nel tempo erano anche insolitamente difficili da interrompere - i ricercatori potevano alzare o abbassare la temperatura dei loro campioni senza disturbare il movimento dei cristalli liquidi.
«Questa è la bellezza di questo cristallo temporale», ha detto Smalyukh. «Crei semplicemente alcune condizioni che non sono poi così speciali. Proietti una luce, e tutto accade».
Zhao e Smalyukh affermano che tali cristalli temporali potrebbero avere diversi usi. I governi potrebbero, per esempio, aggiungere questi materiali alle banconote per renderle più difficili da contraffare - se vuoi sapere se quella banconota è autentica, basta proiettare una luce sulla “filigrana temporale” e osservare il motivo che appare. Sovrapponendo diversi cristalli temporali, il gruppo può creare schemi ancora più complicati, che potrebbero potenzialmente permettere agli ingegneri di immagazzinare enormi quantità di dati digitali.
Riferimenti:
(1) Hanqing Zhao
(2) Space-time crystals from particle-like topological solitons
(3) Ivan I. Smalyukh
Descrizione foto: Un cristallo temporale visto al microscopio. - Credit: Zhao & Smalyukh, 2025, Nature Materials.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Physicists have created a new 'time crystal'—it won't power a time machine but could have many other uses