El cristal de tiempo del equipo de Harvard. Imagen: Soonwon Choi

Mi primera pregunta para los investigadores de Harvard fue: “¿Qué es un cristal de tiempo?”. Los estudiantes de posgrado Soonwon Choi, Joonhee Choi y la investigadora posdoctoral Renate Landig empezaron a reírse. “Esa es una muy buena pregunta”, dijo Soonwon.

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Suena a ciencia ficción, pero el nombre del cristal de tiempo envuelve un profundo matiz de mecánica cuántica. A veces un nombre es simplemente la aproximación más fácil para describir algo mucho más complejo de lo que las mentes curiosas pueden conjurar.

Dos grupos de científicos informan de que han conseguido observar por primera vez los cristales de tiempo, exóticos sistemas de átomos cuyas propiedades se organizan o “cristalizan” en el tiempo como los sólidos pueden cristalizarse en el espacio. Los dos arreglos atómicos no son máquinas de movimiento perpetuo, armas ni dispositivos de viaje en el tiempo, pero su extraño comportamiento arroja luz sobre una nueva clase de materiales con propiedades diferentes a las de cualquier sólido, líquido o gas que hayas encontrado.

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“Los experimentos son hermosos y abren una nueva clase de estados de la materia que cualitativamente son nuevos y fascinantes por derecho propio”, explicó a Gizmodo Frank Wilczek, físico teórico del MIT y premio Nobel. Wilczek propuso la existencia de los cristales de tiempo en 2012, cuando se preguntaba si ciertas características que cambian con el tiempo, en lugar de con el espacio, podrían dar lugar a nuevas fases de la materia. Wilczek dice que “los nuevos descubrimientos son ciertamente un descendiente reconocible de su visión original y han conservado el nombre”.

Las leyes físicas están cargadas de simetrías: instancias en las que una acción produce la misma reacción en un entorno diferente. Si golpeas una pared sólida con la misma fuerza, dolerá lo mismo sin importar qué parte de la pared golpees o qué hora del día sea —esas son simetrías espaciales y de traducción temporal. Algunas simetrías pueden romperse. Los cristales, sólidos donde las partículas se disponen formando una red tridimensional, rompen la llamada simetría traslacional espacial, ya que las moléculas prefieren un lugar específico en el espacio. Si golpearas una valla en lugar de una pared sólida, podrías romper la simetría traslacional espacial, ya que golpear la valla es distinto que golpear el espacio entre las tablas.

La idea de Wilczek era simple: ¿Pueden las moléculas romper la simetría traslacional del tiempo? ¿Pueden ciertos sólidos cristalizar en el tiempo, prefiriendo diferentes estados a diferentes intervalos de tiempo? Esa pregunta se convirtió en: ¿Tienen ciertos comportamientos periódicos de una colección de átomos un tempo preferido? Esto es como las cigarras que vuelven cada 17 años, que podrían volver cada año, pero en su lugar rompen una simetría de traslación de tiempo ya que se agrupan en el año 17 en lugar de aparecer uniformemente.

Imagen: T. Li et al., Phys. Rev. Lett. (2012)

Los físicos Haruki Watanabe y Masaki Oshikawa de la Universidad de Tokio se dieron cuenta en 2014 de que no, probablemente no hay cristales de tiempo, al menos no de la manera en que Wilczek los definió. Dos años más tarde, físicos como Shivaji Sondhi en Princeton y Chetan Nayak, de la Universidad de California en Santa Bárbara, demostraron que los cristales de tiempo podrían existir si cambiásemos un poco las reglas, dándoles a los átomos un empujón periódico por ejemplo. El físico Norman Yao de la Universidad de California en Berkeley redactó una especie de plan para determinar qué medir como justificación de haber creado un cristal de tiempo. Los descubrimientos salieron en prepublicación hace unas semanas, pero ahora los descubrimientos han sido examinados a través del proceso de revisión por pares.

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“Lo sorprendente del cristal de tiempo es que es estable”, dijo Yao a Gizmodo. El cristal de tiempo debe preferir una determinada frecuencia vibratoria, diferente de la frecuencia del empuje periódico. Con algunos impulsos, la frecuencia vibratoria preferida no cambia.

Eso es lo que cada grupo está reportando hoy en la revista Nature. Las partículas tienen una propiedad mecánica cuántica innata llamada “espín” relacionada con el magnetismo, que en el caso de estos cristales, tiene dos valores diferentes. Todos los valores se alinean, y cambian de estado en el momento preferido del cristal. Entender a fondo el espín no es tan importante para entender los cristales del tiempo. A nivel muy básico, piensa en cada partícula como un espectador en un evento deportivo que sostiene un letrero. Si todos sostienen el letrero del lado A, los letreros colectivos dicen una frase, y si todos sostienen el letrero del lado B, dicen una frase diferente. De lo contrario, es un lío confuso.

Un grupo de la Universidad de Maryland alineó diez iones de iterbio atrapados (el iterbio es un elemento químico) y les disparó pulsos láser periódicos para cambiar en parte, pero no completamente, el espín de los iones. No importó: valores de espín de las partículas cambiaron por completo. Continuaron cambiando y alineándose a la mitad de la velocidad del pulso láser. Si el equipo alteraba un poco el pulso, los diez iones mantenían el mismo ciclo, aunque la intuición dice que el movimiento periódico del cristal de tiempo debería desmoronarse. En cambio, preferían marchar al ritmo de su propio compás.

La configuración del grupo de Harvard era un poco diferente. Cargaron la red de carbono de un diamante con impurezas en forma de átomos de nitrógeno; tantas impurezas que el diamante se volvió negro. Su cristal también requería una fuerza de pulsación, en este caso un campo de microondas, y también observaron al espín de las impurezas cambiar una y otra vez, alinéandose con su propia frecuencia más baja y periodo más largo. Esto hizo que el diamante brillara, como en la imagen de abajo. Su sistema era tan complejo que la teoría no explica completamente su comportamiento, dijo Soonwon Choi.

Imagen: Soonwon Choi

“Ambos sistemas son realmente geniales. Son muy diferentes”, dijo Yao. “Creo que son extremadamente complementarios. No creo que uno sea mejor que el otro. Miran dos regímenes diferentes de la física. Que podamos ver esta fenomenología similar en sistemas muy diferentes es realmente increíble”.

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El cristal podría preferir propio tempo para cambiar de espín, pero el efecto ciertamente no durará para siempre. Los cristales de tiempo no pueden existir sin el pulso repetitivo de energía que persuade a los átomos para que se organicen en el tiempo. “No es una máquina de movimiento perpetuo”, dijo Jiehang Zhang de la Universidad de Maryland a Gizmodo. “¡Lo conducimos nosotros!”.

Si todavía estás un poco confundido, Yao tiene una gran explicación: si estás saltando a la comba, esperas una rotación cada vez que la mano de la persona que sostiene la cuerda gira. Estos cristales de tiempo saben que la cuerda hace un círculo completo, o el espín cambia de ciclo, cada dos giros de mano.

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Nayak estuvo de acuerdo en que ambos grupos presentaron evidencias de los cristales que él y otros teorizaron, pero aún necesitamos saber cuán estables son estos cristales. “Sus resultados combinados apuntan a la necesidad de experimentos que demuestren verdaderamente que las oscilaciones permanecen en fase durante largos tiempos”, escribió en un artículo de Nature News & Views, “y no son eliminados por las inevitables fluctuaciones”.

Ahora que sabes lo que es un cristal de tiempo, estarás pensando “¿y qué hay de emocionante en eso?” (“El otro día en un juego vi un cristal de tiempo como arma”, dijo Landig). Soonwon inmediatamente planteó aplicaciones potenciales en computación cuántica para un futuro lejano, controlando muchos bits cuánticos al mismo tiempo. Pero su importancia es más fundamental. Normalmente los estados de la materia solo existen cambiando la forma en que las partículas se organizan en el espacio. Los cristales de tiempo abren todo un mundo de posibles nuevos estados de la materia mediante la adición de estos pulsos láser o de microondas. Estados que solo existen cuando se le está haciendo algo al sólido, como una versión de la física cuántica de cómo el almidón de maíz mezclado con agua solo se siente sólido cuando lo aplastas.

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“Demuestra que la riqueza de los estados de la materia es incluso más amplia [de lo que pensábamos]”, dijo Yao. “Uno de los santos griales de la física es entender qué tipos de materia pueden existir en la naturaleza”. Tenemos muchos materiales extraños como superconductores y superfluidos, pero las “fases de no equilibrio” como los cristales de tiempo “representan un camino diferente a todas las cosas hemos estudiado en el pasado”.

[Nature, Nature]