Un cristallo temporale da premio Nobel?

Un gruppo di fisici crea un cristallo temporale continuo in grado di oscillare per 40 minuti, con possibile impiego nel campo dei sensori

Crediti: Bru-nO/Pixabay

Cristalli temporali: un nome suggestivo, degno di un libro o film fantasy, ma in realtà si tratta semplicemente del pane quotidiano della fisica dello stato solido (cioè, quella branca della fisica che si occupa dello studio delle proprietà dei solidi).

Ciò però non significa che tali cristalli non possano essere oggetto di storie scientifiche altrettanto affascinanti e con un finale talmente epico da valere potenzialmente un premio Nobel.

Ne sembra in particolare convinto il fisico teorico americano Frank Wilczek, già vincitore dell’ambito riconoscimento nel 2004, che propose l’idea dei cristalli temporali nel 2012, la cui esistenza fu poi confermata sei anni dopo.

Ora, sulla scia del prezioso lavoro di Wilczek, un gruppo di fisici tedesco-russo ne ha costruito un esemplare incredibilmente robusto e sembra anche aver trovato un utilizzo pratico per questi particolari cristalli.

Cristalli temporali e oscillazioni

Un cristallo è una configurazione regolare di atomi che si ripete in ogni direzione nello spazio; un cristallo temporale ne è un’estensione, essendo una configurazione di atomi che si ripete non solo nello spazio, ma anche nel tempo.

In sostanza, i cristalli temporali sono un nuovo tipo di auto-organizzazione nell’ambito dei solidi: essi oscillano, un po’ come alcune reazioni chimiche (sebbene non in maniera altrettanto spettacolare: vedi, ad esempio, qui).

Per poter oscillare, un particolare tipo di materiale necessita di una fonte di energia esterna, che nei primi esperimenti di creazione dei cristalli temporali (2018) veniva tipicamente fornita da un laser.

Ma è anche possibile generare i cosiddetti cristalli temporali continui, che hanno una propria periodicità interna, un battito (per così dire) che è indipendente da quello imposto dall’accensione e spegnimento del laser o altra fonte di energia esterna.

Ed è proprio quest’ultimo tipo di cristallo il frutto del lavoro del fisico sperimentale Alex Greilich e dei suoi colleghi della Technische Universität Dortmund, col supporto di Vladimir Korenev dello Ioffe Institute in S. Pietroburgo.

Un cristallo temporale da record

Fin dal 2022 i cristalli temporali continui sono stati creati in nuvole composte da alcune decine di migliaia di atomi raffreddati fin quasi allo zero assoluto, in quello che è chiamato condensato di Bose-Einstein (di cui ho precedentemente scritto qui).

Ma mentre finora i cristalli prodotti oscillavano solo per pochi millisecondi, stavolta i ricercatori sono riusciti a crearne uno che l’ha fatto per ben 40 minuti, cioè un milione di volte in più rispetto ai precedenti!

Per ottenere questo straordinario risultato, Greilich e colleghi hanno impiegato un semiconduttore fatto di arseniuro di indio e gallio più una piccola percentuale di silicone, raffreddato fino a una temperatura di sei gradi sopra lo zero assoluto.

L’hanno quindi colpito con un laser e il risultato è stato che il materiale ha iniziato a oscillare in maniera periodica circa ogni 6 secondi (tecnicamente, lo stato degli spin quantistici cambiava periodicamente).

Sensori e premio Nobel in arrivo?

Per di più, i ricercatori hanno notato che l’oscillazione è decisamente stabile ed è estremamente sensibile alle variazioni di campo magnetico o di temperatura, il che è un’altra caratteristica importante per possibili utilizzi pratici.

Difatti, uno dei problemi dei cristalli temporali creati finora era la difficoltà di impiego: certo, si poteva pensare di usarli per misurare con precisione il tempo, ma per quello ci sono già gli orologi atomici, che non hanno il difetto di funzionare solo per qualche millisecondo o a temperature prossime allo zero assoluto.

Ora, invece, con questi nuovi cristalli così durevoli e sensibili, si aprono interessanti scenari applicativi futuri nel campo dei sensori, in grado di rilevare variazioni nel campo magnetico o nella temperatura in base alla loro frequenza di oscillazione.

Insomma, considerando che nel 2016 il premio Nobel per la fisica fu assegnato per un’idea di 15 anni prima di cui solo allora si capirono le applicazioni pratiche, non ci sarà da meravigliarsi se tra qualche anno Wilczek si porterà a casa il suo secondo trofeo, grazie ai cristalli temporali di cui nessuno finora sapeva che farsene.