Un tipo di materia che “batte il tempo” per sempre, senza bisogno di energia esterna, ha appena fatto un salto enorme verso applicazioni concrete. Si chiama cristallo temporale, ed è uno di quei concetti che sembrano usciti da un film di fantascienza ma che invece esistono davvero, confermati sperimentalmente già nel 2016. La novità? Un gruppo di ricercatori dell’Università Aalto in Finlandia è riuscito per la prima volta a collegarlo a un dispositivo esterno, dimostrando che il suo comportamento può essere controllato. E questo cambia tutto.

Per capire di cosa si parla, bisogna fare un passo indietro. Nel 2012, il fisico Frank Wilczek, premio Nobel, aveva teorizzato che certi sistemi quantistici potessero organizzarsi in schemi ripetitivi nel tempo, non nello spazio come i cristalli tradizionali. Una specie di orologio perpetuo che oscilla nel suo stato di energia più basso, senza mai fermarsi. Suona impossibile, eppure la meccanica quantistica lo permette, a patto che nessuna energia esterna venga introdotta nel sistema. Proprio per questo motivo, finora nessuno era mai riuscito a connettere un cristallo temporale a qualcosa di esterno senza distruggerlo.

Come hanno fatto: superfluidi, magnoni e temperature vicine allo zero assoluto

Il team guidato da Jere Mäkinen ha usato onde radio per iniettare dei magnoni, delle quasiparticelle che si comportano come singole particelle pur essendo gruppi, all’interno di un superfluido di elio 3 raffreddato a temperature prossime allo zero assoluto. Una volta spente le onde radio, i magnoni si sono auto organizzati formando un cristallo temporale. La cosa notevole è che questo cristallo ha continuato a oscillare per un tempo insolitamente lungo, fino a 108 cicli, diversi minuti prima di indebolirsi al punto da non essere più misurabile.

Durante il suo graduale affievolimento, il cristallo temporale ha interagito con un piccolo oscillatore meccanico posto nelle vicinanze. E qui arriva il colpo di scena: la natura di questa interazione dipendeva dalla frequenza e dall’ampiezza dell’oscillatore, il che significa che era possibile regolare e modulare il comportamento del cristallo. Mäkinen ha spiegato che i cambiamenti nella frequenza del cristallo temporale sono del tutto analoghi ai fenomeni optomeccanici già noti in fisica, gli stessi utilizzati ad esempio per rilevare le onde gravitazionali presso il LIGO negli Stati Uniti.

Perché questa scoperta conta per il futuro del quantum computing

Collegare un cristallo temporale a un sistema optomeccanico non è solo un esercizio accademico elegante. Apre la strada a tecnologie molto concrete. I cristalli temporali durano ordini di grandezza più a lungo rispetto ai sistemi quantistici attualmente impiegati nel quantum computing. Questo li rende candidati ideali per potenziare i sistemi di memoria dei computer quantistici, uno dei colli di bottiglia più frustranti di questa tecnologia. Potrebbero anche funzionare come pettini di frequenza, strumenti usati in dispositivi di misurazione ad altissima sensibilità.

Lo scenario migliore, come ha sottolineato Mäkinen, è che i cristalli temporali possano migliorare significativamente le prestazioni dei computer quantistici. La ricerca, pubblicata su Nature Communications, è stata condotta presso il Low Temperature Laboratory, parte di OtaNano, l’infrastruttura nazionale finlandese per le nanotecnologie e le tecnologie quantistiche. Un piccolo laboratorio nel freddo della Finlandia che potrebbe aver appena scritto un capitolo importante nella storia della fisica applicata.

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Una delle domande più radicali che la fisica si sia mai posta ha appena ricevuto una spinta in avanti, e il merito va ai neutrini. Un team internazionale di scienziati ha combinato i dati di due dei più importanti esperimenti al mondo su queste particelle sfuggenti, ottenendo prove più solide del fatto che neutrini e antineutrini non si comportano come immagini speculari perfette. E quella piccola differenza, apparentemente insignificante, potrebbe essere la chiave per capire perché l’universo non si è autodistrutto subito dopo il Big Bang.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature, nasce dalla collaborazione tra gli esperimenti NOvA, con sede negli Stati Uniti, e T2K, in Giappone. Entrambi i progetti sparano fasci di neutrini su distanze enormi, verso rivelatori sotterranei di dimensioni colossali, per studiare come queste particelle cambiano lungo il percorso. Il punto cruciale è che i neutrini esistono in tre “sapori” (elettronico, muonico e tau) e mentre viaggiano possono trasformarsi dall’uno all’altro, un fenomeno noto come oscillazione dei neutrini. Se questa oscillazione avviene in modo diverso per i neutrini rispetto ai loro corrispettivi di antimateria, allora potremmo finalmente avere un indizio concreto sul perché la materia ha prevalso.

Facciamo un passo indietro. Dopo il Big Bang, l’universo avrebbe dovuto produrre quantità identiche di materia e antimateria. Quando le due si incontrano, si annichilano a vicenda, liberando energia pura. Se tutto fosse stato perfettamente bilanciato, non sarebbe rimasto nulla. Niente stelle, niente pianeti, niente esseri viventi. Eppure eccoci qua. Qualcosa ha rotto la simmetria, e i neutrini potrebbero essere proprio gli indiziati principali.

Due esperimenti, un’unica analisi senza precedenti

La forza di questo studio sta nell’aver unito per la prima volta i risultati di NOvA e T2K in un’analisi congiunta. NOvA invia il suo fascio di neutrini per 810 chilometri, dal Fermi National Accelerator Laboratory vicino a Chicago fino a un rivelatore da 14.000 tonnellate in Minnesota. T2K, dall’altro lato del pianeta, copre 295 chilometri tra l’acceleratore J-PARC a Tokai e il celebre rivelatore Super-Kamiokande, sepolto sotto una montagna giapponese.

Le due configurazioni offrono sensibilità complementari. La distanza maggiore di NOvA permette di osservare effetti legati al passaggio dei neutrini attraverso la crosta terrestre, mentre il fascio più intenso di T2K garantisce una statistica più ricca su distanze più brevi. Mettendo insieme i dati, i ricercatori hanno potuto determinare con maggiore precisione i parametri che governano le oscillazioni, in particolare quelli legati alla cosiddetta simmetria CP (carica e parità). È proprio la violazione di questa simmetria che potrebbe spiegare lo squilibrio tra materia e antimateria nell’universo primordiale.

I risultati suggeriscono che esiste effettivamente una differenza nel modo in cui neutrini e antineutrini oscillano. Non è ancora una prova definitiva, ma la direzione è quella giusta. Come ha commentato Mark Messier, professore alla Indiana University e figura chiave del progetto dal 2006: “Abbiamo fatto progressi su una domanda davvero enorme, apparentemente intrattabile: perché esiste qualcosa invece del nulla?”

Tecnologia, formazione e il futuro della fisica delle particelle

Al di là della scoperta scientifica in sé, progetti come questi generano ricadute tecnologiche importanti. I sistemi elettronici ad alta velocità, gli algoritmi di analisi dati e le tecniche di intelligenza artificiale sviluppati per rivelare i neutrini trovano applicazioni pratiche in settori completamente diversi. Messier ha sottolineato come le nuove generazioni di fisici si immergano nel machine learning, nella scienza dei dati e nell’elettronica avanzata, acquisendo competenze che poi portano nell’industria.

Le collaborazioni NOvA e T2K coinvolgono centinaia di scienziati provenienti da oltre una dozzina di paesi tra Stati Uniti, Europa e Giappone. Diversi dottorandi della Indiana University stanno contribuendo attivamente allo studio congiunto, a conferma di quanto la collaborazione internazionale sia ormai il motore della fisica delle particelle moderna.

Questa analisi rappresenta anche un’anteprima di come funzioneranno i grandi esperimenti futuri. Con strumenti ancora più potenti e dataset sempre più ampi, la comunità scientifica punta a dare una risposta sempre più precisa alla domanda fondamentale: perché esiste l’universo così come lo conosciamo? I neutrini, queste particelle quasi invisibili che attraversano ogni cosa senza lasciare traccia, potrebbero custodire proprio quella risposta.

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