El cristal de tiempo comenzó siendo la versión teórica y temporal de un cristal normal y ya es una realidad. También se conoce como cristal de espacio tiempo.
Publicado por Eugenio M. Fernández Aguilar
28.07.2024
Los cristales de tiempo son una propuesta fascinante en el campo de la física que desafía nuestra comprensión tradicional del tiempo y la materia. Piensa por un momento en los cristales convencionales, como los que encuentras en joyería: tienen una estructura atómica ordenada y repetitiva en el espacio. Ahora, traslademos esta idea al tiempo. Suena a ciencia ficción. Y, desde julio de 2024 se han logrado fabricar cristales de tiempo a temperatura ambiente.
El cuarzo es un cristal, es decir, tiene una estructura interna ordenada. Créditos: JJ HarrisonJJ Harrison
En esencia, un cristal de tiempo sería como un patrón repetitivo en el tiempo, donde la estructura de las partículas o átomos se repite periódicamente. Esta idea fue propuesta por primera vez en 2012 por el físico Frank Wilczek, quien sugirió que al igual que existen estructuras ordenadas en el espacio, como los cristales, también debería haber estructuras similares en el tiempo. Aunque este supuesto teórico se presentó inicialmente como una imposibilidad, sería en 2016 cuando se consiguió por primera vez un cristal de tiempo real. En 2017 salieron publicados sendos artículos en Nature, un grupo liderado por Mikhail Lukin de Harvard y un grupo liderado por Christopher Monroe en la Universidad de Maryland
Es interesante matizar algo. A Frank Wilczek no le dieron el Premio Nobel por el planteamiento teórico de los cristales de tiempo. Wilczek recibió el Premio Nobel de Física en 2004 por el descubrimiento de la libertad asintótica en la teoría de la interacción fuerte.
Frank Wilczek en la Instituto Tecnológico de Massachusetts, 2004. Créditos: Darren McCollesterDarren McCollester
Entonces, ¿qué significa esto en la práctica? Bueno, imaginemos un material donde las partículas o átomos se mueven en un patrón repetitivo y predecible, como un péndulo oscilando de un lado a otro. Este patrón se mantendría indefinidamente, incluso sin recibir energía externa. En esencia, un cristal de tiempo es una estructura que se repite en el tiempo de manera constante y autónoma, desafiando nuestras concepciones convencionales de la física.
Una variedad de cristales de tiempo
Desde 2012 se han postulado y creado varios tipos de cristales de tiempo. Uno de ellos es el cristal de tiempo disipativo, que consiguió realizarse en la práctica en 2021 por el grupo de Andreas Hemmerich en el Instituto de Física Láser de la Universidad de Hamburgo. La base para "fabricar" este cristal de tiempo único hasta el momento fue la utilización de un condensado de Bose-Einstein. Al ser acoplado a una cavidad óptica disipativa el cristal de tiempo alternó entre dos patrones de densidad atómica.
Para hay más propuestas sobre los tipos de cristales de tiempo. Después de que se comprendiera que la propuesta inicial de Wilczek no era válida, en 2016 surgió una variación intrigante: la idea de activar el comportamiento cristalino temporal mediante la introducción de una pequeña dosis de energía al sistema. Esta nueva perspectiva implicaba la reversión periódica del espín de las partículas, creando una suerte de péndulo cuántico. Esta nueva versión dio lugar a los dos primeros modelos prácticos en 2016. Uno de ellos se basaba en una cadena de átomos de iterbio excitados por láser, mientras que el otro consistía en la aplicación de microondas a las impurezas de un diamante. En ambos casos, se inducía una oscilación repetida con una periodicidad diferente a la del estímulo externo.
El espín es una propiedad del mundo subatómico, por lo que los cristales de tiempo entran en el mundo de la física cuántica. Créditos: PobytovPobytov
Estos sistemas, conocidos como cristales de tiempo discretos, han sido objeto de estudio en los últimos años, generando múltiples ejemplos y exploraciones de sus propiedades y posibles aplicaciones en el mundo real, especialmente en campos como la computación cuántica.
Una de las aplicaciones que podrá encontrar los cristales de tiempo están en la computación cuántica. Créditos: gremlingremlin
Un tipo especialmente interesante son los cristales de tiempo fotónicos, en los que en vez de repetirse un patrón estructuran en el tiempo, lo que fluctúa de forma ordenada son las propiedades electromagnéticas. Es decir, la luz.
El récord temporal
El problema de los cristales de tiempo es que duran poco tiempo siendo eso, cristales de tiempo. Es un juego de palabras: los cristales de tiempo son, hasta el momento, temporales. Pero una investigación realizada en la Universidad TU Dortmund puede cambiar las cosas: han logrado fabricar un cristal de tiempo que dura 40 minutos, millones de veces más que las experiencias anteriores.
El siguiente objetivo es crear cristales de tiempo que duren grandes periodos, para los que no tengamos que estar mirando el reloj. Créditos: LEON NEALLEON NEAL
Utilizaron un cristal de arseniuro de galio e indio. Un láser lograba la polarización del espín nuclear a través de la interacción con los espines electrónicos. Esta polarización fue la que produjo las oscilaciones que lo convirtieron en un cristal de tiempo. Se pudo controlar la frecuencia y la amplitud de las oscilaciones a demanda, simplemente variando la potencia del láser y del campo magnético. El objetivo es que el cristal de tiempo "viva" un tiempo indeterminado.
Estos resultados abren una ventana hacia aplicaciones futuras: información cuántica, metrología cuántica, computación cuántica y aplicaciones fundamentales para nuestra comprensión de la física.
Cristales de espacio tiempo a temperatura ambiente
Un trabajado publicado en Nature Physics por investigadores de la Universidad de Tsihghua abre un horizonte nuevo: cristales de tiempo a temperatura ambiente. En concreto, han observado un cristal de tiempo disipativo en un gas de Rydberg, un estado de la materia caracterizado por oscilaciones periódicas mientras el sistema disipa energía. Los átomos de Rydberg son átomos en un estado altamente excitado con grandes radios atómicos, lo que aumenta sus interacciones. En este experimento, al iluminar un gas de átomos con luz láser, algunos átomos se excitan a estados de Rydberg, resultando en interacciones fuertes que generan oscilaciones espontáneas en el número de átomos de Rydberg.
Esta observación abre nuevas posibilidades para estudiar los cristales de tiempo disipativos y podría mejorar el rendimiento de sensores de campo eléctrico de alta precisión. Los resultados, obtenidos durante la pandemia por el estudiante Xiaoling Wu, muestran que estas oscilaciones pueden mantenerse indefinidamente bajo condiciones específicas. Este descubrimiento, alineado con la idea original de los cristales de tiempo propuesta por Frank Wilczek, proporciona una plataforma prometedora para profundizar en la comprensión de este fenómeno.
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Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Referencias
Wu, X., Wang, Z., Yang, F. et al. Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas. Nature Physics. (2024).
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Fuente:
