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

Mi primera pregunta para los investigadores de Harvard fue: ‚Äú¬ŅQu√© es un cristal de tiempo?‚ÄĚ. Los estudiantes de posgrado Soonwon Choi, Joonhee Choi y la investigadora posdoctoral Renate Landig empezaron a re√≠rse. ‚ÄúEsa es una muy buena pregunta‚ÄĚ, dijo Soonwon.

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.

Advertisement

Dos grupos de cient√≠ficos informan de que han conseguido observar por primera vez los cristales de tiempo, ex√≥ticos sistemas de √°tomos cuyas propiedades se organizan o ‚Äúcristalizan‚ÄĚ en el tiempo como los s√≥lidos pueden cristalizarse en el espacio. Los dos arreglos at√≥micos no son m√°quinas de movimiento perpetuo, armas ni dispositivos de viaje en el tiempo, pero su extra√Īo comportamiento arroja luz sobre una nueva clase de materiales con propiedades diferentes a las de cualquier s√≥lido, l√≠quido o gas que hayas encontrado.

‚ÄúLos experimentos son hermosos y abren una nueva clase de estados de la materia que cualitativamente son nuevos y fascinantes por derecho propio‚ÄĚ, explic√≥ a Gizmodo Frank Wilczek, f√≠sico te√≥rico del MIT y premio Nobel. Wilczek propuso la existencia de los cristales de tiempo en 2012, cuando se preguntaba si ciertas caracter√≠sticas que cambian con el tiempo, en lugar de con el espacio, podr√≠an dar lugar a nuevas fases de la materia. Wilczek dice que ‚Äúlos nuevos descubrimientos son ciertamente un descendiente reconocible de su visi√≥n original y han conservado el nombre‚ÄĚ.

Las leyes f√≠sicas est√°n cargadas de simetr√≠as: instancias en las que una acci√≥n produce la misma reacci√≥n en un entorno diferente. Si golpeas una pared s√≥lida con la misma fuerza, doler√° lo mismo sin importar qu√© parte de la pared golpees o qu√© hora del d√≠a sea ‚ÄĒesas son simetr√≠as espaciales y de traducci√≥n temporal. Algunas simetr√≠as pueden romperse. Los cristales, s√≥lidos donde las part√≠culas se disponen formando una red tridimensional, rompen la llamada simetr√≠a traslacional espacial, ya que las mol√©culas prefieren un lugar espec√≠fico en el espacio. Si golpearas una valla en lugar de una pared s√≥lida, podr√≠as romper la simetr√≠a traslacional espacial, ya que golpear la valla es distinto que golpear el espacio entre las tablas.

Advertisement

La idea de Wilczek era simple: ¬ŅPueden las mol√©culas romper la simetr√≠a traslacional del tiempo? ¬ŅPueden ciertos s√≥lidos cristalizar en el tiempo, prefiriendo diferentes estados a diferentes intervalos de tiempo? Esa pregunta se convirti√≥ en: ¬ŅTienen ciertos comportamientos peri√≥dicos de una colecci√≥n de √°tomos un tempo preferido? Esto es como las cigarras que vuelven cada 17 a√Īos, que podr√≠an volver cada a√Īo, pero en su lugar rompen una simetr√≠a de traslaci√≥n de tiempo ya que se agrupan en el a√Īo 17 en lugar de aparecer uniformemente.

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

Los f√≠sicos 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 defini√≥. Dos a√Īos m√°s tarde, f√≠sicos como Shivaji Sondhi en Princeton y Chetan Nayak, de la Universidad de California en Santa B√°rbara, demostraron que los cristales de tiempo podr√≠an existir si cambi√°semos un poco las reglas, d√°ndoles a los √°tomos un empuj√≥n peri√≥dico por ejemplo. El f√≠sico Norman Yao de la Universidad de California en Berkeley redact√≥ una especie de plan para determinar qu√© medir como justificaci√≥n de haber creado un cristal de tiempo. Los descubrimientos salieron en prepublicaci√≥n hace unas semanas, pero ahora los descubrimientos han sido examinados a trav√©s del proceso de revisi√≥n por pares.

Advertisement

‚ÄúLo sorprendente del cristal de tiempo es que es estable‚ÄĚ, dijo Yao a Gizmodo. El cristal de tiempo debe preferir una determinada frecuencia vibratoria, diferente de la frecuencia del empuje peri√≥dico. Con algunos impulsos, la frecuencia vibratoria preferida no cambia.

Eso es lo que cada grupo est√° reportando hoy en la revista Nature. Las part√≠culas tienen una propiedad mec√°nica cu√°ntica innata llamada ‚Äúesp√≠n‚ÄĚ 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 esp√≠n no es tan importante para entender los cristales del tiempo. A nivel muy b√°sico, piensa en cada part√≠cula 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 l√≠o 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.

Advertisement

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

‚ÄúAmbos sistemas son realmente geniales. Son muy diferentes‚ÄĚ, dijo Yao. ‚ÄúCreo que son extremadamente complementarios. No creo que uno sea mejor que el otro. Miran dos reg√≠menes diferentes de la f√≠sica. Que podamos ver esta fenomenolog√≠a similar en sistemas muy diferentes es realmente incre√≠ble‚ÄĚ.

Advertisement

El cristal podr√≠a preferir propio tempo para cambiar de esp√≠n, pero el efecto ciertamente no durar√° para siempre. Los cristales de tiempo no pueden existir sin el pulso repetitivo de energ√≠a que persuade a los √°tomos para que se organicen en el tiempo. ‚ÄúNo es una m√°quina de movimiento perpetuo‚ÄĚ, dijo Jiehang Zhang de la Universidad de Maryland a Gizmodo. ‚Äú¬°Lo conducimos nosotros!‚ÄĚ.

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.

Nayak estuvo de acuerdo en que ambos grupos presentaron evidencias de los cristales que √©l y otros teorizaron, pero a√ļn necesitamos saber cu√°n estables son estos cristales. ‚ÄúSus resultados combinados apuntan a la necesidad de experimentos que demuestren verdaderamente que las oscilaciones permanecen en fase durante largos tiempos‚ÄĚ, escribi√≥ en un art√≠culo de Nature News & Views, ‚Äúy no son eliminados por las inevitables fluctuaciones‚ÄĚ.

Advertisement

Ahora que sabes lo que es un cristal de tiempo, estar√°s pensando ‚Äú¬Ņy qu√© hay de emocionante en eso?‚ÄĚ (‚ÄúEl otro d√≠a en un juego vi un cristal de tiempo como arma‚ÄĚ, dijo Landig). Soonwon inmediatamente plante√≥ aplicaciones potenciales en computaci√≥n cu√°ntica para un futuro lejano, controlando muchos bits cu√°nticos al mismo tiempo. Pero su importancia es m√°s fundamental. Normalmente los estados de la materia solo existen cambiando la forma en que las part√≠culas se organizan en el espacio. Los cristales de tiempo abren todo un mundo de posibles nuevos estados de la materia mediante la adici√≥n de estos pulsos l√°ser o de microondas. Estados que solo existen cuando se le est√° haciendo algo al s√≥lido, como una versi√≥n de la f√≠sica cu√°ntica de c√≥mo el almid√≥n de ma√≠z mezclado con agua solo se siente s√≥lido cuando lo aplastas.

‚ÄúDemuestra que la riqueza de los estados de la materia es incluso m√°s amplia [de lo que pens√°bamos]‚ÄĚ, dijo Yao. ‚ÄúUno de los santos griales de la f√≠sica es entender qu√© tipos de materia pueden existir en la naturaleza‚ÄĚ. Tenemos muchos materiales extra√Īos como superconductores y superfluidos, pero las ‚Äúfases de no equilibrio‚ÄĚ como los cristales de tiempo ‚Äúrepresentan un camino diferente a todas las cosas hemos estudiado en el pasado‚ÄĚ.

[Nature, Nature]