Esiste un cristallo dai poteri quasi magici e gli scienziati ne sono ossessionati

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C’è un cristallo che sta ossessionando la comunità scientifica. Il suo nome, cristallo del tempo o cristallo temporale, fa venire alla mente trame fantascientifiche e avventure incantate. E in effetti, le implicazioni dello studio di questo tipo di cristallo (anzi: più cristalli) potrebbero portare grandi risvolti per l’umanità, con una messa in discussione di alcuni principi della fisica.

Come mai se ne discute adesso? Perché di recente ne sono stati collegati due, e la loro unione potrebbe rivelare enormi misteri. Ma andiamo con ordine e cerchiamo di capire, progresso dopo progresso, perché questi cristalli hanno un potere quasi magico.

I cristalli temporali e la loro scoperta

C’era una volta l’assunto che i cristalli, in natura, pur manifestando asimmetria nella loro composizione, rispettassero comunque l’equilibrio termico. Osservandone la maggior parte, infatti, si poteva notare che la cristallizzazione fosse causata sì da una rottura, ma allo stesso tempo riequilibrata dalla sostituzione dell’energia più alta da parte dell’energia più bassa. Complesso? Forse un po’, per questo bisogna tornare indietro e ricordare la seconda legge della termodinamica, per la quale tutti i sistemi tendono all’equilibrio termico e dunque a stati meno utili e più casuali.

Fatta questa premessa, per capire cosa siano i cristalli temporali, bisogna guardare al 2012, quando il premio Nobel Franzk Wilczek ipotizzò l’esistenza di alcuni cristalli in cui non avviene una sostituzione: semplicemente, le particelle sono in movimento continuo, ripetitivo. Il sistema-cristallo è ordinato, non caotico, e non perde energia, perché non ne ha: mentre gli atomi nei cristalli normali, infatti, sono disposti periodicamente nello spazio,  quelli di un cristallo temporale sono disposti periodicamente sia nello spazio che nel tempo.

Gli studi e le ipotesi di Franzk Wilczek hanno trovato conferma e riprova: Xiang Zhang, nanoingegnere dell’Università di Berkeley ne ha creato uno, sotto forma di anello di ioni carichi in rotazione costante. Ancora, i fisici Valerii Kozin e Oleksandr Kyriienko hanno dimostrato che, in teoria, un cristallo del tempo può resistere all’entropia. Nel 2021, infine, Google ha analizzato un cristallo temporale, sottolineando che per via della resistenza all’entropia, le particelle di un cristallo temporale possono muoversi ordinatamente per sempre, in moto perpetuo.

La resistenza al caos e una nuova fase della materia

La consapevolezza dell’esistenza del cristallo del tempo ha segnato e segna una nuova fase della materia e dello studio su di essa. Il fascino magico di questi cristalli sta nel loro eludere la seconda legge della termodinamica, che è uno degli assunti più fondamentali e “corazzati” della fisica. L’elusione sta nel fatto che, per questa legge, l’entropia (ovvero il disordine all’interno di un sistema) è destinato ad aumentare: se si vuole ordine, occorre impiegare energia.

Nei cristalli temporali, invece, l’ordine è la regola. Questa resistenza al caos rende tali cristalli dei sistemi quantistici macroscopici che non cambiano stato, rimangono come sono pur muovendosi periodicamente. E le implicazioni? Sono enormi, perché non solo questi cristalli sono stati creati e osservati, ma possono essere utilizzati per concretizzare uno dei sogni più all’avanguardia degli scienziati: un computer quantistico.

L’unione dei cristalli del tempo e il computer quantistico

Come accennavamo all’inizio, si è tornato a parlare dei cristalli temporali perché, di recente, ne sono stati collegati due. A guidare l’esperimento è stato il fisico Samuli Autti della Lancaster University. Dopo aver creato ex novo due cristalli temporali, ha fatto in modo che si toccassero e ha osservato il loro scambio di particelle. Uno scambio che ha influenzato lo schema ordinato di entrambi i cristalli, senza creare caos. Al contrario, si è formato un sistema unico in grado di funzionare in e tra due stati distinti.

Ciò getta delle basi per le future tecnologie: la realizzazione di un computer quantistico, in grado di elaborare informazioni più complesse di quanto riusciamo persino a ipotizzare grazie ai qubit (quantum bit) pare, infatti, essere una valida e concreta opzione futura. Sta ora ai prossimi studi e ai progressi della tecnologia dare all’umanità la possibilità di raggiungere questo incredibile traguardo.