Es oficial: Los cristales de tiempo son un nuevo estado de la materia, y ahora podemos crearlos

Es oficial: Los cristales de tiempo son un nuevo estado de la materia, y ahora podemos crearlos

A principios de este año, los físicos habían elaborado un modelo sobre cómo hacer y medir los cristales de tiempo: un extraño estado de materia con una estructura atómica que se repite no sólo en el espacio, sino con el tiempo, permitiéndoles mantener una oscilación constante sin energía.

Dos equipos de investigación independientes lograron crear lo que parecía ser varios cristales del tiempo en enero, y ahora ambos experimentos han pasado con éxito la revisión por pares por primera vez, poniendo el fenómeno «imposible» directamente en el ámbito de la realidad.

«Hemos tomado estas ideas teóricas que hemos estado explorando durante los últimos años y realmente lo construimos en el laboratorio», dijo uno de los investigadores, Andrew Potter de la Universidad de Texas en Austin.

«Con suerte, este es sólo el primer ejemplo de estos, con muchos más por venir.»

Los cristales de tiempo son una de las cosas más interesantes que la física ha acumulado en los últimos meses, porque apuntan a un mundo completamente nuevo de fases de «no equilibrio» que son completamente diferentes a todo lo que los científicos han estudiado en el pasado.

Durante décadas, hemos estado estudiando la materia, como los metales y los aislantes, que se define como «en equilibrio» – un estado en el que todos los átomos de un material tienen la misma cantidad de calor.

Ahora parece que los cristales de tiempo son el primer ejemplo del estado de «no equilibrio» hipotético pero no estudiado de la materia, y podrían revolucionar la forma en que almacenamos y transferimos información a través de sistemas cuánticos.

«Demuestra que la riqueza de las fases de la materia es aún más amplia de lo que pensábamos», dijo a Gizmodo el físico Norman Yao de la Universidad de California en Berkeley, quien publicó el proyecto en enero.

«Uno de los santos griales de la física es comprender qué tipos de materia pueden existir en la naturaleza. Las fases de equilibrio representan una nueva vía a todas las cosas que hemos estudiado en el pasado».

Los cristales del tiempo son estructuras hipotéticas que parecen tener movimiento incluso en su estado de energía más bajo, conocido como un estado fundamental, propuesto por el físico teórico Frank Wilczek, ganador del Premio Nobel.

Normalmente, cuando un material entra en su estado fundamental, también llamado energía de punto cero de un sistema, el movimiento debería ser teóricamente imposible, porque requeriría que gastase energía.

Pero Wilczek imaginaba un objeto que podía alcanzar un movimiento eterno mientras estaba en su estado fundamental conmutando periódicamente la alineación de los átomos dentro del cristal una y otra vez, fuera del estado fundamental, de nuevo y repitiendo.

Seamos claros – esto no es una máquina de movimiento perpetuo, porque hay cero energía en el sistema. Pero la hipótesis parecía inicialmente improbable por otra razón.

Insinuó un sistema que rompe uno de los supuestos más fundamentales de nuestra comprensión actual de la simetría física-traslado simétrico, que afirma que las leyes de la física son las mismas en todas partes y en todo momento.

Como Daniel Oberhaus explica para Motherboard, la time-translation symmetry (simetría del traslado-tiempo) es la razón por la que sería imposible tirar una moneda en un momento y tener las probabilidades de lograr 50/50 de opciones, pero luego la próxima vez que la voltee, las probabilidadesson de repente 70/30.

Pero ciertos objetos pueden romper esta simetría en su estado fundamental sin violar las leyes de la física.

Considere un imán con un norte y un extremo sur. No está claro cómo un imán «decide» qué extremo será el norte y cuál será al sur, pero el hecho al tener un extremo norte y un extremo sur significa que no se verá igual en ambos extremos – es naturalmente asimétrico.

Otro ejemplo de un objeto físico con un estado fundamental asimétrico es un cristal.

Los cristales son conocidos por sus patrones estructurales repetitivos, pero los átomos dentro de ellos tienen posiciones «preferidas» dentro de la red. Así que dependiendo de donde se observe un cristal en el espacio, se verá diferente – las leyes de la física ya no son simétricas, porque no se aplican igualmente a todos los puntos en el espacio.

Con esto en mente, Wilczek propuso que podría ser posible crear un objeto que logre un estado fundamental asimétrico no a través del espacio, como cristales ordinarios o imanes, sino a través del tiempo.

En otras palabras, ¿podrían los átomos preferir estados diferentes a intervalos diferentes en el tiempo?

Los investigadores estadounidenses y japoneses demostraron que esto podría ser posible, con una gran modificación a la propuesta de Wilczek: para que los cristales del tiempo volvieran a invertir sus estados una y otra vez, tenían que darles un «empujón» cada de vez en cuando.

En enero de este año, Norman Yao describió cómo se podría construir un sistema de este tipo, describiéndolo a Nature como un tipo de violación de simetría «más débil» de lo que Wilczek había imaginado.

«Es como jugar con una cuerda de saltar, y de alguna manera nuestro brazo gira alrededor de dos veces, pero la cuerda sólo gira una vez», dice, añadiendo que en la versión de Wilczek, la cuerda oscilaría por sí sola.

«Es menos extraña que la primera idea, pero sigue siendo totalmente extraña».

Dos equipos independientes de investigadores, uno dirigido por la Universidad de Maryland y el otro por la Universidad de Harvard, tomaron este modelo y corrieron con él, creando dos versiones diferentes de un cristal de tiempo que parecía igualmente viable.

Descrito en documentos pre-impresos en enero, los cristales de tiempo de la Universidad de Maryland fueron creados tomando una línea de 10 iones de iterbio, todos con electrones enredados.

Debido a que los giros de todos los átomos se enredaron, los átomos se establecieron en un patrón estable y repetitivo de giro que define un cristal, pero hizo algo realmente extraño para convertirse en un cristal de tiempo – el patrón de giro en el sistema se repitió sólo la mitad tan rápido como los pulsos láser.

El cristal de tiempo de Harvard utilizó diamantes que se habían cargado con tantas impurezas de nitrógeno, que se volvieron negros.

El Diamante de Harvard.

El Diamante de Harvard. Crédito: Georg Kucsko

El giro de estas impurezas fue capaz de ser volteado hacia adelante y hacia atrás como el giro de los iones de iterbio en el experimento de Maryland.

Fue un momento emocionante para la física, pero ahora las cosas son finalmente oficiales, porque ambos experimentos han pasado la revisión por pares, y ahora aparecen en documentos separados en Nature, aquí y aquí.

Y ahora que sabemos que estas cosas existen, es el momento de hacer más de ellas, y ponerlas en uso.

Una de las aplicaciones más prometedoras para los cristales de tiempo es la computación cuántica – podrían permitir a los físicos crear sistemas cuánticos estables a temperaturas mucho más altas de lo que se puede lograr en este momento, y que sólo podría ser el empujón que necesitamos para finalmente hacer la computación cuántica una realidad.

No podemos esperar a ver a dónde nos llevará la investigación.

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