Desde hace meses se especula que investigadores podrían haber creado finalmente cristales de tiempo – extraños cristales que tienen una estructura atómica que se repite no sólo en el espacio, sino con el tiempo, poniéndolos en movimiento perpetuo sin energía.

Ahora es oficial – los investigadores han informado detalladamente cómo hacer y medir estos extraños cristales. Y dos equipos independientes de científicos afirman que en realidad han creado cristales del tiempo en laboratorio basados ​​en este plan, lo que confirma la existencia de una forma totalmente nueva de la materia.

El descubrimiento podría sonar muy abstracto, pero anuncia una nueva era en la física – durante décadas hemos estado estudiando la materia que se define como «en equilibrio», como los metales y aislantes.

Pero se ha predicho que hay muchos más tipos extraños de materia en el Universo que no están en equilibrio que ni siquiera hemos empezado a estudiar, incluyendo los cristales del tiempo. Y ahora sabemos que son reales.

El hecho de que ahora tengamos el primer ejemplo de materia de no equilibrio podría conducir a avances en nuestra comprensión del mundo que nos rodea, así como nuevas tecnologías como la computación cuántica.

«Esta es una nueva fase de la materia, pero también es realmente genial porque es uno de los primeros ejemplos de la materia de no equilibrio», dijo el investigador principal Norman Yao de la Universidad de California en Berkeley.

«Durante los últimos cincuenta años hemos estado explorando la materia de equilibrio, como los metales y los aisladores, y ahora estamos empezando a explorar un nuevo paisaje de materia que no está en equilibrio».

Vamos a dar un paso atrás por un segundo, porque el concepto de cristales de tiempo ha estado flotando por unos años.

Previamente predicho por el ganador del Premio Nobel, el físico teórico Frank Wilczek, en 2012, los cristales temporales son estructuras que parecen tener movimiento incluso en su estado energético más bajo, conocido como estado fundamental.

Normalmente, cuando un material está en estado fundamental, también conocido como la energía de punto cero de un sistema, significa que el movimiento debería ser teóricamente imposible, porque eso requeriría que gastara energía.

Pero Wilczek predijo que esto podría no ser el caso de los cristales del tiempo.

Los cristales normales tienen una estructura atómica que se repite en el espacio – al igual que la red de carbono de un diamante. Pero, al igual que un rubí o un diamante, están inmóviles porque están en equilibrio en su estado fundamental.

Pero los cristales del tiempo tienen una estructura que se repite en el tiempo, no sólo en el espacio. Y sigue oscilando en su estado fundamental.

Imagínelo como jalea – cuando lo toque, repetidamente realizará movimientos. Lo mismo sucede en los cristales del tiempo, pero la gran diferencia aquí es que el movimiento se produce sin ninguna energía.

Un cristal del tiempo es como la jalea constantemente oscilante en su estado natural, terrestre, y eso es lo que lo convierte en una forma completamente nueva de materia, la de no equilibrio. Es incapaz de quedarse quieto.

Pero una cosa es predecir que estos cristales del tiempo existen, otra será hacerlos, que es donde entra el nuevo estudio.

Yao y su equipo han llegado ahora con un plan detallado que describe exactamente cómo hacer y medir las propiedades de un cristal del tiempo, e incluso predecir cuáles deben ser las diversas fases que rodean los cristales del tiempo – lo que significa que han trazado el equivalente de las fases sólida, líquida y gaseosa para la nueva forma de materia.

Publicado en Physical Review Letters, Yao llama al paper «el puente entre la idea teórica y la puesta en práctica experimental».

Y no es sólo especulación. Basados ​​en el proyecto de Yao, dos equipos independientes -uno de la Universidad de Maryland y uno de Harvard- han seguido las instrucciones para crear sus propios cristales del tiempo.

Ambos desarrollos se anunciaron a finales del año pasado en el sitio de preimpresión arXiv.org (aquí y aquí), y se han enviado para su publicación en revistas revisadas por pares. Yao es coautor de ambos artículos.

Mientras esperamos que estos documentos se publiquen, necesitamos ser escépticos acerca de las dos afirmaciones. Pero el hecho de que dos equipos separados hayan utilizado el mismo modelo para hacer cristales del tiempo de sistemas muy diferentes es prometedor.

Los cristales del tiempo de la Universidad de Maryland fueron creados tomando una línea de conga de 10 iones de iterbio, todos con electrones enredados.

Crédito: Chris Monroe, University of Maryland

La clave para convertir ese set-up en un cristal del tiempo era mantener los iones fuera de equilibrio, y para ello los investigadores los golpearon alternativamente con dos láseres. Un láser creó un campo magnético y el segundo láser parcialmente volteó los giros de los átomos.

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.

Eso era bastante normal, pero para convertirse en un cristal del tiempo, el sistema tenía que romper la simetría del tiempo. Y observando la línea conga del átomo de iterbio, los investigadores notaron que estaba haciendo algo extraño.

Los dos láseres que periódicamente empujaban los átomos de iterbio estaban produciendo una repetición en el sistema en dos veces el período de los codos, algo que no podía ocurrir en un sistema normal.

Bajo diferentes campos magnéticos y pulsos de láser, el cristal de tiempo cambiaría de fase, al igual que un cubo de hielo de fusión.

Crédito: Norman Yao, UC Berkeley

El cristal de tiempo de Harvard era diferente. Los investigadores lo instalaron usando centros de vacantes de nitrógeno densamente embebidos en diamantes, pero con el mismo resultado.

«La observación del cristal del tiempo discreto, confirma que la ruptura de la simetría puede ocurrir en prácticamente todos los reinos naturales, y abre el camino a varias nuevas vías de investigación».

El plan de Yao ha sido publicado en Physical Review Letters, y usted puede ver el paper del cristal de tiempo de Harvard aquí, y el paper de la Universidad de Maryland aquí.