Così la fisica classica spiega i “cristalli temporali”, un nuovo stato della materia

Oggi la fisica ci aiuta a scoprire e studiare meglio un nuovo stato della materia, quello dei cosiddetti “cristalli temporali“, anche detti “cristalli pretermali a tempo discreto”. Questi oggetti, da poco creati dagli scienziati, hanno delle proprietà inusuali, ancora da comprendere appieno. Dopo averli messi a punto nel 2017, i fisici pensavano che soltanto le leggi della meccanica quantistica avrebbero potuto spiegare le loro caratteristiche. Ma non è così: un gruppo dell’Università di Cambridge ha trovato un metodo che appartiene alla fisica classica (la quale è distinta dalla quantistica) e che rappresenta bene il loro funzionamento. I risultati sono pubblicati in due studi, uno su Physical Review Letters e l’altro su Physical Review B.

Il cristallo temporale

Ipotizzati per la prima volta nel 2012 dal premio Nobel per la Fisica Frank Wilczek e osservati in laboratorio soltanto nel 2017, in un articolo su Nature, questi cristalli sono sistemi fisici molto particolari. Rappresentano un nuovo stato, finora mai rintracciato. Non sono dei cristalli come quelli tradizionali, ovvero semplici strutture solide di atomi, molecole o ioni con disposizione regolare. Sono catene di atomi che pulsano in assenza di alcuna energia, restando in movimento nel tempo senza richiedere l’azione di una forza esterna. Non sono mai fermi, all’equilibrio, ma sempre “in moto” e in qualche modo si auto-sostengono. Allo stesso tempo non si riscalderebbero rapidamente. Queste qualità li rendono interessanti per studi e per individuare delle applicazioni pratiche, ad esempio per i computer quantistici.

I cristalli temporali e la metafora dell’altalena

Oggi Andrea Pizzi, primo autore del lavoro su Physical Review Letters e candidato per il dottorato all’Università di Cambridge, spiega i cristalli temporali con una metafora tratta dalla quotidianità: c’è un genitore che spinge il figlio sull’altalena, quando questa torna indietro fornisce una nuova spinta. Questo è un sistema tradizionale, rappresentato da un cristallo normale. Se però le altalene, dove sono seduti dei bambini, sono legate fra loro (o i piccoli si tengono per mano) il sistema diventa molto più complesso. E, nonostante la spinta regolare del genitore, i movimenti sono difficili da spiegare. Questo è quello che avviene nei cristalli temporali.

Se la fisica classica può spiegare il fenomeno

Il punto, finora, era che solo la meccanica quantistica avrebbe potuto affrontare questi sistemi. Ma oggi cambia qualcosa: il gruppo di Pizzi ha trovato un metodo classico per provare ad aggirare l’ostacolo. La squadra ha utilizzato simulazioni al computer che consentono di creare un modello del sistema, un po’ come i bambini sulle altalene collegate fra loro. I ricercatori hanno studiato molti spin (lo spin è una grandezza associata alla particelle, che la descrive) che interagiscono fra loro – come i bambini per mano mentre sono sulle altalene – sotto l’azione di un campo magnetico periodico – come il genitore che spinge – utilizzando le leggi della meccanica classica, in particolare la meccanica hamiltoniana. Il risultato mostra chiaramente, senza dover ricorrere alla più complessa fisica quantistica, le proprietà dei cristalli temporali.

“È sorprendente quanto sia ‘pulito’ questo metodo”, ha affermato Pizzi. “Visto che ci permette di studiare sistemi più ampi [di quanto possibile con la quantistica, ndr], rende davvero chiaro cosa sta succedendo”. E potrebbe essere utilizzato per simulazioni su larga scala di sistemi a molti corpi. In questo modo, conclude l’esperto, si potrebbero aprire nuove strade di studio dei fenomeni ‘del non equilibrio’, di cui i cristalli temporali sono un esempio.

Riferimenti: Physical Review Letters, Physical Review B