Un materiale vibra all’unisono e trasforma il disordine in un ritmo stabile

Un metamateriale bidimensionale stampato in 3D è passato da vibrazioni rapide e disordinate a un movimento lento e sincronizzato: un possibile esempio di cristallo temporale, uno stato della materia in cui un ritmo si ripete nel tempo. Il fenomeno, chiamato «coarsening delle onde», è stato osservato da un gruppo internazionale di fisici guidato da Jonas Veenstra dell’Università di Amsterdam, nei Paesi Bassi. Lo studio è stato pubblicato su Nature.

Nei cristalli temporali, gli elementi di un sistema — per esempio atomi, onde sonore o difetti topologici — seguono uno schema ritmico che si ripete. A differenza di un ritmo imposto dall’esterno, quello osservato dai ricercatori è emerso spontaneamente: vibrazioni di diversa ampiezza e velocità si sono gradualmente organizzate, fino a far muovere insieme l’intera struttura.

Studiare questi stati è difficile perché la sincronizzazione può essere fragile: anche piccole perturbazioni rischiano di disgregarla. Il problema è particolarmente rilevante nei sistemi con una o due dimensioni spaziali. Il gruppo ha quindi indagato se interazioni non reciproche — in cui l’influenza di una parte del materiale su un’altra non è uguale in entrambe le direzioni — potessero favorire l’emergere di un ritmo stabile.

Per verificarlo, i ricercatori hanno costruito un metamateriale, cioè un materiale le cui proprietà dipendono soprattutto dalla sua struttura. Era composto da 37 unità disposte in un reticolo simile a un nido d’ape. Ogni unità comprendeva tre esagoni elastici, sensori, attuatori e un piccolo controllore elettronico. I componenti erano programmati per reagire in modo asimmetrico: quando un esagono veniva compresso, quello vicino in senso orario si comprimeva a sua volta, mentre quello adiacente in senso antiorario si espandeva.

Dopo aver dato una spinta al reticolo e introdotto piccole perturbazioni casuali, il gruppo ha osservato le unità vibrare inizialmente circa 30 volte al secondo. Poi sono comparse onde più ampie, che si propagavano lungo il bordo e prevalevano sulle oscillazioni più piccole. Man mano che si estendevano, le onde rallentavano, finché il reticolo ha cominciato a muoversi secondo un unico ritmo.

Per stabilire se questa sincronizzazione potesse durare, i ricercatori hanno usato analisi matematiche e simulazioni al computer, aggiungendo rumore al modello. Le oscillazioni sono rimaste coerenti nonostante le perturbazioni; secondo i risultati, la stabilità persisteva anche considerando sistemi di dimensioni di fatto infinite. Questo sostiene l’interpretazione del fenomeno come una forma di ordine temporale robusto, ma non equivale a dimostrare che ogni sistema simile diventi un cristallo temporale.

Il gruppo ha testato il coarsening delle onde anche in una struttura diversa: un anello elastico dotato di 24 motori, collocato su un tavolo ad aria per ridurre al minimo l’attrito. I motori erano programmati per creare interazioni non reciproche tra sezioni vicine. Quando l’anello è stato attivato e perturbato, le onde hanno viaggiato lungo la circonferenza, deformandolo in una successione di poligoni. Con il progressivo allungarsi e rallentare delle onde, i poligoni hanno assunto sempre meno lati, fino a essere dominati da un unico schema su larga scala. I ricercatori non hanno verificato separatamente se anche l’anello formasse un cristallo temporale; l’esperimento ha però mostrato che il processo di coarsening può manifestarsi in un’architettura differente.

L’analisi matematica indica un possibile meccanismo: quando le onde aumentano di ampiezza, cambiano la dinamica del sistema e favoriscono quelle con lunghezze d’onda maggiori. Queste, a loro volta, diventano più intense e rafforzano ulteriormente il proprio vantaggio. Si innesca così una retroazione che porta le onde dominanti a diventare sempre più grandi e lente, fino a quando le dimensioni del materiale ne limitano la crescita.

Il processo può anche essere interrotto. Nel modello matematico, aggiungere attrito sopprimeva le onde più lunghe e impediva alle vibrazioni di riorganizzarsi in schemi via via più ampi. In queste condizioni, il materiale poteva stabilizzarsi in un altro tipo di ordine: onde persistenti che viaggiavano in una sola direzione lungo il bordo. I risultati suggeriscono quindi che, a seconda delle condizioni, la stessa fisica possa produrre diversi movimenti organizzati.

«Prevediamo che il coarsening delle onde rappresenti una via esemplare verso la cristallizzazione temporale nei sistemi dotati di ulteriori simmetrie e dei relativi modi di Goldstone», scrivono i ricercatori, «che può essere sfruttata come strategia di controllo per i cambiamenti di forma e il movimento direzionale in campi quali la robotica, la materia attiva e l’ottomeccanica con transizioni di fase non reciproche».

La possibilità di guidare le vibrazioni progettando le interazioni tra i componenti potrebbe in futuro interessare campi come l’acustica e la robotica morbida. Le applicazioni pratiche, tuttavia, sono ancora lontane: per ora il risultato mostra soprattutto che un materiale può organizzare spontaneamente le proprie vibrazioni, senza che un ritmo venga imposto dall’esterno.

Fonte: sciencealert.com