I cristalli di tempo sono una nuova fase della materia

"Perché dovremmo interessarci alla simmetria? Innanzitutto perché la mente umana la trova affascinante; a tutti piacciono gli oggetti e i motivi che in qualche modo sono simmetrici. Ed è interessante che la natura dispieghi certi tipi di simmetria negli oggetti del mondo intorno a noi. L'oggetto più simmetrico che si possa immaginare è forse la sfera, e la natura è piena di sfere – le stelle, i pianeti, le goccioline d'acqua nelle nubi. […] Perfino il regno animale e quello vegetale presentano un certo grado di simmetria, benché la simmetria di un fiore, o di un'ape, non sia altrettanto perfetta o fondamentale quanto quella di un cristallo," scrive Richard Feynman in Sei pezzi meno facili.

Uno dei teoremi più affascinanti della fisica è frutto del genio di una matematica tedesca di origini ebraiche Emmy Noether, che afferma che ad ogni simmetria del sistema corrisponde una legge di conservazione: se il sistema è uguale in ogni punto dello spazio (ha simmetria per traslazioni spaziali) allora la quantità di moto si conserverà. Se la simmetria è temporale allora a conservarsi sarà l'energia.

Questo implica che ogni volta che una simmetria viene rotta, viene meno una legge di conservazione: le conseguenze di questo fenomeno, la rottura della simmetria, sono da sempre oggetto di studio nella fisica. Basti pensare al ferromagnetismo, che diventa realtà quando gli spin all'interno di un metallo scelgono di orientarsi tutti in un certo modo, mentre prima erano disposti a caso. Un esempio più comune è quello dei cristalli: strutture che ripetono la posizione esatta dei propri atomi per lunghissime distanze, donando caratteristiche uniche a questa categoria di materiali.

Il cloruro di sodio (Na-Cl), è il costituente principale del comune sale da cucina. A temperatura ambiente si presenta come un solido cristallino incolore.

Ma facciamo un passo avanti. Se Einstein ci ha insegnato qualcosa è che spazio e tempo sono intimamente legati in un tessuto che permea e definisce la nostra realtà. È lecito allora chiedersi se siano realizzabili delle strutture periodiche nel tempo? È possibile creare dei cristalli di tempo?

Questa domanda trova la sua prima risposta nel lavoro di Frank Wilczek nel 2012: sì, i cristalli di tempo sono realizzabili, ma non per sistemi in equilibrio — come viene subito mostrato dalla critica. Già qui vediamo la prima stranezza: stiamo cercando di descrivere qualcosa di stabile, se vogliamo parlare di cristalli, cercando la risposta in sistemi che si trovano intrinsecamente fuori dall'equilibrio. Per quanto sembri assurdo, la soluzione arriva dal team di Norman Yao (Università della California): nel paper dell'agosto 2016, pubblicato solo qualche settimana fa, i ricercatori delineano una vera e propria ricetta per la preparazione di questo nuovo tipo di materia, predicendone le caratteristiche più importanti.

L'idea è quella di "disturbare" un sistema a intervalli regolari, diciamo ogni tempo T, ad esempio colpendolo con un impulso laser o un campo magnetico. Se il materiale rispetta alcune caratteristiche si verranno a formare delle interazioni a lungo raggio tra le varie componenti (ad esempio gli spin) che porteranno il sistema in uno stato stabile. In questa nuova fase della materia il sistema tornerà periodicamente nello stato iniziale, ma ad intervalli di tempo che saranno multipli di T (due o tre volte T ad esempio): è stata rotta la simmetria temporale. In altre parole abbiamo portato il sistema in una nuova configurazione, per cui la periodicità del disturbo esterno è "ininfluente", in quanto il nostro materiale possiede ora una propria periodicità. Questo è qualcosa di impensabile nella materia che conosciamo, basti pensare alle onde elettromagnetiche o ai pendoli: se il sistema è soggetto ad una forzante esterna periodica, prima o poi oscillerà esattamente alla sua frequenza.

"Non sarebbe stranissimo se, scuotendo una gelatina, scoprissi che in qualche modo risponde con un periodo diverso? Ma è proprio questa l'essenza dei cristalli di tempo" scrive Norman Yao nell'articolo.

In tempo record  — a settembre e ottobre 2016  — sono arrivate due conferme sperimentali, indipendenti e implementate in maniera totalmente diversa, dal team di Chris Monroe (University of Maryland) e di Mikhail Lukin (Harvard University). Il primo lavoro si è focalizzato su una catena di atomi di ittrio, facendo interagire gli spin con degli impulsi laser periodici; il secondo ha studiato un insieme di quasi un milione di punti di difetto di un diamante (chiamati centri N-V), eccitando gli spin con delle onde elettromagnetiche.

In entrambi i casi si sono osservate delle risposte a un periodo diverso e multiplo di disturbo esterno, confermando la formazione dei cristalli temporali. Inoltre la proprietà di "rigidità", prevista nel modello teorico di Yao, è stata comprovata: introducendo dei disturbi nel segnale emesso, ad esempio modificando leggermente la distanza tra gli impulsi del sistema esterno, la risposta del materiale rimaneva identica, dimostrazione della stabilità di questa nuova fase della materia osservata per la prima volta con questi due esperimenti.

Trattandosi di una vera è propria fase della materia, è possibile tracciare un diagramma delle fasi come quello che per l'acqua mette in relazione la fase liquida, solida e gassosa.

Questa ricerca ha aperto gli occhi della comunità scientifica su un nuovo capitolo della fisica della materia, quella dei sistemi in non-equilibrio. Le possibili fasi della materia previste in queste condizioni sono ancora ignote, ma gli esperimenti dei due gruppi di ricerca hanno dimostrato che allo stato attuale abbiamo gli strumenti per scrivere questa nuova pagina della fisica.

Intanto dobbiamo capire come utilizzare questi cristalli di tempo: c'è chi ha pensato di utilizzarli per effettuare misure temporali estremamente precise (un vero e proprio orologio naturale) chi per "irrobustire" le memorie per i tanto agognati computer quantistici: le interazioni a lungo raggio nel tempo permetterebbero di conservare i dati anche se il sistema viene disturbato (parlavamo prima della rigidità del cristallo).

Mentre fantastichiamo sui nostri nuovi giocattoli fisici c'è chi, in casa Marvel, sembra averci visto lungo. Avete presente quando Dr Stange — alias Benedict Cumberbatch — impugna per la prima volta l'occhio di Agamotto, cioè la gemma dell'infinito che controlla proprio il tempo, per guardare le pagine strappate dal libro del Maestro e quindi il passato? La scelta del team di computer grafica per mostrare al lettore la magia in atto, che sta manipolando il continuum temporale, è resa visivamente da cristalli trasparenti che compaiono sul libro. Che si tratti di cristalli di tempo?