Ciencia: “Cristales de Tiempo”

Ciencia: “Cristales de Tiempo”

Los cristales temporales son un nuevo y sorprendente estado de la materia que presenta la misma simetría que los cristales ordinarios, pero en el tiempo en vez de en el espacio.

Los cristales corresponden a un estado ordenado de la materia donde la disposición de los átomos se repite con un cierto patrón. En la jerga de los físicos, se dice que presentan una “ruptura espontánea de la simetría bajo traslaciones espaciales”.

Los cristales temporales, un nuevo concepto propuesto en 2012, son un estado de la materia cuyos patrones se repiten en el tiempo en vez de en el espacio. Estos sistemas muestran una ruptura espontánea de la simetría bajo traslaciones temporales.

En 2017 se descubrieron los primeros materiales nuevos que se ajustan completamente a la noción de cristal temporal. Esos materiales y otros encontrados desde entonces ofrecen la posibilidad de crear relojes aún más precisos que los actuales.

Los cristales son las sustancias más ordenadas de la naturaleza. Sus átomos y moléculas se disponen en estructuras regulares que se repiten para dar lugar a sólidos estables y rígidos. Y también hermosos.

Estos materiales ya resultaban fascinantes y atractivos antes del nacimiento de la ciencia moderna y a menudo han sido apreciados como joyas. El afán de los científicos del siglo XIX por clasificarlos y comprender sus efectos sobre la luz trajo consigo importantes progresos en matemáticas y física. En el siglo XX, el estudio de la teoría cuántica que describe el comportamiento de los electrones en los cristales condujo a la electrónica basada en semiconductores y, en última instancia, a los teléfonos inteligentes e Internet.

El siguiente paso en nuestra comprensión de los cristales está teniendo lugar ahora, gracias a uno de los principios que se derivan de la teoría de la relatividad de Albert Einstein: el espacio y el tiempo están íntimamente conectados y se encuentran al mismo nivel. Por ello, resulta natural preguntarse si existen objetos que presenten propiedades análogas a las de los cristales ordinarios, pero en el tiempo en vez de en el espacio. Al explorar esta cuestión, descubrimos los “cristales temporales”. Este nuevo concepto, junto con la clase creciente de materiales que engloba, ha conducido a fascinantes ideas físicas y podría servir para desarrollar relojes más precisos que los actuales, entre otras aplicaciones.

Pero antes de nada, debemos aclarar qué es exactamente un cristal. La respuesta más útil a efectos científicos se apoya en dos conceptos profundos: la simetría y su ruptura espontánea.

En el lenguaje común, el término “simetría” se asocia con el equilibrio, la armonía o incluso la justicia. En física y matemáticas, su significado es más preciso: un objeto es simétrico o posee simetría si existe una transformación que, pudiendo cambiarlo, no lo hace.

Esta definición puede parecer extraña y abstracta, así que lo mejor es poner un ejemplo. Consideremos un círculo. Cuando lo rotamos un ángulo cualquiera alrededor de su centro, su aspecto no cambia, a pesar de que se hayan movido todos sus puntos: tiene una simetría rotacional perfecta. Un cuadrado también tiene cierta simetría, pero menos que un círculo, ya que no recobra su apariencia hasta que lo rotamos 90 grados. Estos ejemplos muestran que el concepto matemático de simetría recoge un aspecto esencial de su significado habitual, al tiempo que añade la virtud de la precisión.

Una segunda ventaja de este concepto de simetría es que podemos generalizarlo de modo que se refiera no solo a las formas geométricas, sino también a las leyes físicas. Decimos que una ley tiene simetría si podemos cambiar el contexto en el que se aplica sin modificar la propia ley. Por ejemplo, el principal axioma de la relatividad especial es que las leyes de la física son las mismas cuando observamos el mundo desde distintas plataformas que se mueven entre sí a velocidad constante. Por lo tanto, la relatividad requiere que las leyes de la física presenten simetría frente a las transformaciones que cambian la plataforma.

En una hazaña considerada teóricamente imposible, el físico Shivaji Sondhi, que publicó un artículo en Physics Review Letters sobre la base teórica de cómo los cristales de tiempo podrían existir, junto con dos equipos de científicos de la Universidad de Harvard y la Universidad de Maryland (EE. UU.) han conseguido crear cristales de tiempo. El hito científico ha sido publicado en la revista Nature.

Shivaji Sondhi

En los cristales de tiempo, los átomos repiten un patrón a través de la cuarta dimensión, el tiempo, a diferencia de los cristales normales (como un diamante) que tienen átomos dispuestos en una retícula tridimensional repetitiva. Así, los átomos deben oscilar para siempre sin ninguna influencia externa dado que el cristal de tiempo parece un sistema cerrado.

Uno de los equipos, el de la Universidad de Harvard, consiguió crear el cristal de tiempo con una red artificial en un diamante sintético; el equipo de Maryland utilizó una cadena de partículas cargadas llamadas iones del elemento iterbio para llegar al mismo objetivo. Distintos caminos, misma meta. Los átomos del cristal fueron ‘empujados’ o ‘conducidos’ por medio de pulsos de láser. Teniendo en cuenta que los cristales normales permanecen inmóviles pues están en su estado fundamental y en equilibrio, los cristales de tiempo, al contrario, aun en su estado fundamental siguen oscilando y nunca alcanzan el equilibrio, debido a que su estructura no se repite en el espacio, sino en el tiempo. Y esa oscilación repetitiva no necesita energía alguna.

Iterbio

“Esto abre la puerta a un nuevo mundo de fases de no equilibrio. Hemos tomado estas ideas teóricas que hemos estado explorando en los últimos dos años y realmente conseguimos construirlo en el laboratorio. Con suerte, este es sólo el primer ejemplo de ellos, con muchos más por venir”, explica Andrew Potter, de la Universidad de Texas en Austin, que también formaba parte del equipo.

El profesor Chetan Nayak, de la Universidad de California en Santa Bárbara, escribió que “basándose en nuestros conocimientos actuales, había sido natural ver si era posible romper espontáneamente la simetría tiempo-traslacional de las leyes de la física pero es posible que el inusual movimiento de retroceso visto en los cristales de tiempo supuestamente no dure para siempre. Ambos grupos presentan evidencia de un cristal de tiempo pero sus resultados combinados apuntan a la necesidad de experimentos que muestren verdaderamente que las oscilaciones permanecen en fase durante largos períodos y no son eliminadas por las inevitables fluctuaciones”.

La computación cuántica podría ser una realidad gracias a estos cristales de tiempo. Ya existen prototipos de ordenadores cuánticos, pero necesitan estar fuertemente protegidos de cualquier mínima interferencia del mundo exterior. Los cristales podrían ayudar a proteger la información almacenada, superando uno de sus mayores obstáculos para el uso generalizado de ordenadores que son millones de veces más rápidos que los actuales.

Ordenadores cuánticos

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