Fisici creano un nuovo tipo di cristallo del tempo che gli esseri umani possono effettivamente vedere

5 settembre 2025

di Daniel Strain, Università del Colorado a Boulder

modificato da Lisa Lock, revisionato da Robert Egan

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Immagina un orologio che non ha bisogno di elettricità, ma le sue lancette e ingranaggi girano da soli per l'eternità. In uno nuovo studio, i fisici dell'Università del Colorado a Boulder hanno utilizzato cristalli liquidi, gli stessi materiali che si trovano nel display del tuo telefono, per creare un tale orologio, o quantomeno, per avvicinarsi il più possibile a tale idea. Il progresso del team è un nuovo esempio di un "cristallo del tempo". Questo è il nome di una curiosa fase della materia in cui i pezzi, come atomi o altre particelle, esistono in movimento costante.

I ricercatori non sono i primi a creare un cristallo del tempo, ma la loro creazione è la prima che gli esseri umani possano effettivamente vedere, il che potrebbe aprire una serie di applicazioni tecnologiche.

'Possono essere osservati direttamente sotto un microscopio e persino, sotto condizioni speciali, a occhio nudo', ha detto Hanqing Zhao, primo autore dello studio e studente di dottorato del Dipartimento di Fisica di CU Boulder.

Lui e Ivan Smalyukh, professore di fisica e collaboratore dell'Istituto per l'Energia Rinnovabile e Sostenibile (RASEI), hanno pubblicato le loro scoperte il 4 settembre sulla rivista Nature Materials.

Nello studio, i ricercatori hanno progettato celle di vetro riempite di cristalli liquidi, in questo caso, molecole a forma di bastoncino che si comportano un po' come un solido e un po' come un liquido. In circostanze speciali, se si proietta su di loro una luce, i cristalli liquidi inizieranno a vorticare e muoversi, seguendo schemi che si ripetono nel tempo.

Sotto un microscopio, questi campioni di cristalli liquidi assomigliano a tigrature psichedeliche e possono continuare a muoversi per ore, simili a quell'orologio che gira eternamente.

'Tutto nasce dal nulla', ha detto Smalyukh. 'Basta proiettare una luce e tutto questo mondo di cristalli del tempo emerge.'

Zhao e Smalyukh fanno parte del satellite del Colorado dell'Istituto Internazionale per la Sostenibilità con Materia Meta Chirale Annodata (WPI-SKCM2) con sede presso l'Università di Hiroshima in Giappone, un istituto internazionale con missioni di creare forme artificiali di materia e contribuire alla sostenibilità.

I cristalli del tempo possono sembrare qualcosa tratto dalla fantascienza, ma prendono ispirazione dai cristalli naturali, come i diamanti o il sale da tavola.

Il premio Nobel Frank Wilczek ha proposto per la prima volta l'idea dei cristalli del tempo nel 2012. Puoi pensare ai cristalli tradizionali come "cristalli di spazio". Gli atomi di carbonio che compongono un diamante, ad esempio, formano un modello a griglia nello spazio che è molto difficile da rompere.

Wilczek si chiedeva se fosse possibile costruire un cristallo che fosse organizzato in modo simile, ma nel tempo invece che nello spazio. Anche nello stato di riposo, gli atomi in uno stato del genere non formerebbero un modello a griglia, ma si muoverebbero o trasformerebbero in un ciclo infinito, come un GIF che si ripete all'infinito.

Il concetto originale di Wilczek si è dimostrato impossibile da realizzare, ma negli anni successivi, gli scienziati hanno creato fasi della materia che si avvicinano ragionevolmente.

Nel 2021, ad esempio, i fisici hanno utilizzato il computer quantistico Sycamore di Google per creare una rete speciale di atomi. Quando il team ha colpito quegli atomi con un raggio laser, hanno subito fluttuazioni che si ripetevano più volte.

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Nel nuovo studio, Zhao e Smalyukh hanno cercato di vedere se potevano raggiungere una simile impresa con cristalli liquidi.

Smalyukh ha spiegato che se si comprime queste molecole nel modo giusto, si raggruppano così tanto che formano delle pieghe. Straordinariamente, queste pieghe si muovono e possono addirittura, in determinate condizioni, comportarsi come atomi.

'Ci sono queste torsioni, e non puoi rimuoverle facilmente', ha detto Smalyukh. 'Si comportano come particelle e iniziano a interagire tra di loro.'

Nello studio attuale, Smalyukh e Zhao hanno inserito una soluzione di cristalli liquidi tra due pezzi di vetro rivestiti con molecole di colorante. Da soli, questi campioni erano per lo più fermi. Ma quando il gruppo li ha colpiti con un certo tipo di luce, le molecole di colorante hanno cambiato orientamento e hanno strizzato i cristalli liquidi. In questo processo, improvvisamente si sono formate migliaia di nuove pieghe.

Quei grovigli iniziarono anche a interagire tra di loro seguendo una serie incredibilmente complessa di passaggi. Pensa a una stanza piena di ballerini in un romanzo di Jane Austen. Le coppie si separano, girano intorno alla stanza, si riuniscono e ricominciano daccapo. Anche i modelli nel tempo erano insolitamente difficili da interrompere: i ricercatori sono riusciti ad aumentare o abbassare la temperatura dei campioni senza interrompere il movimento dei cristalli liquidi. "Questa è la bellezza di questo cristallo temporale," ha detto Smalyukh. "Basta creare alcune condizioni che non sono così speciali. Accendi una luce e tutto accade." Zhao e Smalyukh dicono che tali cristalli temporali potrebbero avere diverse applicazioni. I governi potrebbero, ad esempio, aggiungere questi materiali alle banconote per renderle più difficili da falsificare: se vuoi sapere se quel biglietto da $100 è genuino, basta illuminare il 'marcatore temporale' e osservare il modello che appare. Impilando diversi cristalli temporali diversi, il gruppo può creare modelli ancora più complessi, che potrebbero potenzialmente consentire agli ingegneri di immagazzinare enormi quantità di dati digitali. "Non vogliamo porre limiti alle applicazioni in questo momento," ha detto Smalyukh. "Penso che ci siano opportunità per spingere questa tecnologia in tutte le direzioni." Maggiori informazioni: Hanqing Zhao et al, Space-time crystals from particle-like topological solitons, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02344-1 Informazioni sulla rivista: Nature Materials Fornito da University of Colorado at Boulder