Che cos’è un orologio? Essenzialmente è un sistema periodico – un sistema le cui configurazioni si ripetono identicamente dopo un certo periodo, che può essere assunto come riferimento per misurare il tempo. Si tratti di un pendolo, di un pianeta che gira attorno al Sole o di un atomo che oscilla tra due stati, il principio di funzionamento è lo stesso. La domanda ora è: può un orologio emergere spontaneamente in natura? In altri termini, è possibile che un sistema inizialmente non periodico, che non distingue un istante di tempo da un altro, acquisti in maniera spontanea una certa periodicità, diventando così un orologio naturale?
A porsi per primo la domanda e a suggerire una risposta (positiva) è stato nel 2012 il premio Nobel Frank Wilczek, fisico teorico di grande inventiva. Lasciandosi guidare dall’analogia con il fenomeno del cambiamento di stato da liquido a solido, Wilczek ha introdotto il concetto di “cristallo temporale”, l’analogo dei cristalli spaziali, quelli ordinari. Quando un liquido solidifica passa da una struttura omogenea, in cui tutti i punti sono equivalenti (e il sistema pertanto è invariante rispetto a un qualunque spostamento), a una struttura spazialmente periodica, un reticolo cristallino di atomi che si ripete uguale a se stesso solo se ci si sposta di una distanza pari esattamente al passo reticolare.
La transizione di fase da liquido a solido cristallino è un esempio di quel fenomeno generale che va sotto il nome di rottura spontanea della simmetria (lo stesso fenomeno che in un altro contesto – le simmetrie delle particelle elementari – conduce al bosone di Higgs). È, in un certo senso, la risposta che la natura dà al problema dell’asino di Buridano. Il povero animale che, di fronte a due sacchi di fieno identici ed equidistanti, rischia di morire di fame perché non ha motivo di preferirne uno, alla fine in realtà sceglie uno dei sacchi rompendo la simmetria. Allo stesso modo, gli atomi, che nel liquido non distinguono un punto da un altro, nel solido scelgono di collocarsi in posizioni definite, formando così un reticolo. Il cristallo, diversamente da quanto possiamo pensare (essendo abituati ad associare simmetria e ordine), è meno simmetrico del liquido e la solidificazione rompe quindi spontaneamente la simmetria spaziale del sistema, introducendo una scala naturale di lunghezza (la distanza tra gli atomi nel reticolo cristallino).

Una nuova fase della materia

L’idea di Wilczek è stata di spostare il discorso dallo spazio al tempo, immaginando la rottura spontanea della simmetria per traslazioni temporali e la conseguente formazione di un “cristallo temporale”, dotato di una frequenza caratteristica. Per qualche anno si è dibattuto sulla realizzabilità di questa proposta. Adesso gli esperimenti hanno dato una prima importante indicazione. Nel numero del 9 marzo della rivista “Nature”, due gruppi di ricercatori, guidati rispettivamente da Christopher Monroe dell’Università del Maryland e da Mikhail Lukin di Harvard, hanno annunciato di aver osservato dei cristalli temporali “discreti”. Non si tratta esattamente del modello ideale di Wilczek, ma di qualcosa che gli si avvicina: i sistemi realizzati dagli scienziati statunitensi sono in realtà periodici anche in partenza, ma acquistano spontaneamente una frequenza diversa da quella iniziale. Il “cristallo” del gruppo di Monroe, in particolare, è costituito da una catena di dieci atomi di itterbio isolati in una trappola elettromagnetica, che interagiscono tra loro e con un fascio laser. Regolando l’intensità del fascio è possibile passare dalla fase di “liquido” a quella di “cristallo”, così come si passa da un liquido propriamente detto a un solido variando la temperatura. A tutti gli effetti, è stata prodotta una nuova fase della materia, che ha la peculiarità di esistere fuori dall’equilibrio, senza assumere una configurazione stazionaria.
Al di là delle applicazioni che già si possono intravedere (in particolare nel campo dei computer quantistici, che utilizzano proprio sistemi di atomi intrappolati per codificare l’informazione), la scoperta è di grande rilevanza concettuale, perché per la prima volta è stata osservata la rottura spontanea di una delle simmetrie fondamentali del mondo fisico, l’invarianza rispetto all’operazione più semplice e naturale di tutte, quella consistente nel far passare un po’ di tempo.
Ma c’è un’altra riflessione, di carattere generale, che le ricerche riportate da “Nature”– successive di soli cinque anni alla predizione teorica – suscitano. L’abilità dei fisici sperimentali e la loro capacità di manipolare le strutture elementari della materia sono ormai tali da permettere di dar corpo, in tempi brevi, a qualunque fantasia dei teorici. Se, come è vero, la dialettica tra teoria ed esperimento è il motore del progresso scientifico, campi di ricerca come la fisica atomica in cui il rapporto tra chi immagina e chi osserva, chi predice e chi verifica, è stretto e costante sono destinati a riservarci continue sorprese.

J. Zhang et al., Observation of a discrete time crystal, “Nature”, vol. 543, pp. 217-220.
S. Choi et al., Observation of a discrete time-crystalline order in a disordered dipolar many-body system, “Nature”, vol. 543, pp. 221-225.