Una svolta significativa nella fisica della materia condensata è stata raggiunta dai ricercatori dell'Università del Colorado Boulder, che sono riusciti a creare cristalli temporali visibili attraverso l'uso di cristalli liquidi. Questo approccio innovativo permette l'osservazione diretta dei cristalli temporali in condizioni di laboratorio standard, distinguendosi dai metodi precedenti che richiedevano complessi sistemi quantistici.
Lo studio, intitolato "Space-time crystals from particle-like topological solitons", è stato pubblicato su Nature Materials il 4 settembre 2025. I cristalli temporali rappresentano una fase della materia unica, caratterizzata da un moto periodico nel tempo senza necessità di apporto energetico, sfidando i concetti tradizionali di equilibrio. A differenza dei cristalli spaziali, che presentano schemi ripetuti nello spazio, i cristalli temporali mantengono un ordine dinamico basato sul tempo. Sebbene le ricerche precedenti si concentrassero su sistemi quantistici, questo studio dimostra la fattibilità dell'osservazione di cristalli temporali in sistemi classici impiegando cristalli liquidi.
Il team di ricerca, guidato dallo studente laureato Hanqing Zhao e dal Professor Ivan Smalyukh, ha utilizzato molecole di cristalli liquidi a forma di bastoncino confinate in celle di vetro. Esposte a specifiche sorgenti luminose, queste molecole hanno indotto schemi di moto persistenti che imitano strutture in evoluzione temporale. Tali schemi sono rimasti stabili per ore senza apporto energetico esterno, evidenziando la robustezza della fase del cristallo temporale. La formazione di "kinks", distorsioni localizzate nella disposizione molecolare, ha giocato un ruolo cruciale in questo fenomeno. Sotto l'esposizione luminosa, molecole coloranti che rivestivano il vetro esercitavano forze meccaniche sui cristalli liquidi, causando la formazione, il movimento e l'interazione di questi kinks in modi complessi. Questo comportamento, simile a quello delle particelle, ha portato i cristalli liquidi a esibire sequenze meticolosamente coreografate, paragonabili a una sala da ballo con partner che si separano e si ricongiungono continuamente.
Questa innovazione apre le porte a potenziali applicazioni in svariati campi, tra cui misure di autenticazione ultra-sicure e tecnologie avanzate di archiviazione dati. La capacità di osservare i cristalli temporali direttamente al microscopio ordinario semplifica gli allestimenti sperimentali e favorisce l'integrazione di questo fenomeno in tecnologie pratiche. L'ispirazione per questa ricerca risale alla visione del premio Nobel Frank Wilczek nel 2012, che ipotizzò l'esistenza dei cristalli temporali come una nuova fase della materia che rompe la simmetria temporale.
A differenza dei cristalli spaziali convenzionali, le cui reticoli atomici conferiscono proprietà uniche grazie alla periodicità spaziale, la periodicità di un cristallo temporale risiede nel tempo, con le sue particelle costituenti che oscillano perpetuamente senza consumo di energia. È degno di nota che nel 2021, un team di fisici ha utilizzato il processore quantistico Sycamore di Google per creare una rete di atomi che esibiva caratteristiche di cristallo temporale attraverso fluttuazioni indotte da laser ripetute. L'innovazione del gruppo CU Boulder si distingue per l'utilizzo di cristalli liquidi classici, rendendo possibile l'osservazione diretta e semplificando notevolmente gli allestimenti sperimentali. Questo segna una pietra miliare cruciale nel passaggio dalla promessa elusiva dei cristalli temporali, da fenomeni quantistici astratti a tecnologie pratiche e tangibili.
L'allestimento sperimentale ideato da Zhao e Smalyukh prevedeva l'inserimento di una soluzione di cristalli liquidi tra due lastre di vetro, ciascuna rivestita con specifiche molecole coloranti che rispondono dinamicamente alla luce. Quando illuminate, queste molecole subiscono una riorientazione molecolare, imponendo vincoli fisici alla matrice del cristallo liquido, che a sua volta innesca l'emergere spontaneo dei suddetti kinks. Da un punto di vista tecnico, questi solitoni topologici – configurazioni stabili e simili a nodi all'interno del campo del cristallo liquido – agiscono come entità discrete e quasi-particellari le cui interazioni danno origine a un comportamento collettivo. Questo approccio particellare consente una comprensione intuitiva dell'ordinamento temporale complesso basato sulla fisica classica, colmando il divario precedentemente arduo tra i cristalli temporali quantistici e gli effetti macroscopici osservabili.
Le potenziali applicazioni di tali cristalli temporali sono vaste e variegate. Ad esempio, l'integrazione di questi materiali nella valuta potrebbe rivoluzionare le tecnologie anti-contraffazione. A differenza delle tradizionali filigrane o ologrammi, il pattern tempo-evolutivo attivato dalla luce di una "filigrana temporale" sarebbe straordinariamente difficile da replicare. Crucialmente, l'apparente semplicità nel generare questi cristalli temporali – semplicemente illuminando il sistema con una specifica lunghezza d'onda luminosa in condizioni modeste – evidenzia l'accessibilità e la scalabilità di questo approccio. I ricercatori sottolineano che non sono necessari ambienti estremi o materiali esotici; piuttosto, il fenomeno emerge naturalmente dalle proprietà intrinseche dei cristalli liquidi quando accoppiati con coloranti otticamente reattivi.
Oltre alle implicazioni tecnologiche, questa scoperta arricchisce la fisica fondamentale fornendo una manifestazione tangibile della rottura della simmetria di traslazione temporale in un sistema classico. La nozione che la materia possa mantenere uno stato stazionario di non equilibrio con comportamento temporale periodico sfida ipotesi di lunga data e probabilmente ispirerà nuovi modelli teorici e indagini sperimentali. Zhao e Smalyukh sono affiliati all'International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI-SKCM2) con sede presso l'Università di Hiroshima in Giappone. Il loro sforzo collaborativo esemplifica la crescente natura globale della ricerca all'avanguardia, fondendo competenze tra continenti per esplorare i regni inesplorati della fisica spazio-temporale. Guardando al futuro, la scoperta dei cristalli temporali visibili segna l'inizio di un viaggio entusiasmante. Man mano che i ricercatori affineranno i meccanismi di controllo, esploreranno nuovi materiali e approfondiranno la meccanica sottostante, la comunità scientifica anticipa un'era in cui i pattern temporali diventeranno tanto manipolabili e integrali alla tecnologia quanto lo sono oggi le strutture spaziali.