La física cuántica ha demostrado la existencia de estos cristales
tan especiales, los investiga, y ya propone aplicaciones en
computación y sensores cuánticos.
Un copo de nieve repite su patrón en el espacio. Un
cristal de tiempo hace lo mismo, pero en el tiempo (Foto:
Wikimedia Commons).
Todos conocemos, y usamos, los
cristales espaciales: la
sal
común, por ejemplo, lo es. Si miramos la sal en su
estructura
atómica, veremos que los átomos no están distribuidos de
forma homogénea, sino en un
patrón geométrico rígido que
se repite en el espacio. Esta estructura cristalina también se
observa en los
copos de nieve, los
diamantes, los
metales, etc.
Pero recordemos que
Albert Einstein y su
Teoría de la
Relatividad tratan
de manera equitativa al espacio y al
tiempo. Entonces, si existen cristales espaciales…
¿existirán
cristales temporales?
De la teoría a la demostración
Fue en 2012 cuando el
Premio Nobel de Física Frank Wilczek
propuso el concepto revolucionario de
cristal temporal.
Éstos corresponderían a una fase de la materia que se repetiría
periódicamente en el tiempo,
oscilando indefinidamente.
Un cristal temporal sería entonces algo parecido a
un reloj
que se mueve espontáneamente sin necesidad de darle cuerda:
un sistema de partículas que, sin que alguien lo esté perturbando
continuamente, desarrolla
una oscilación autosostenida
periódica en el tiempo. Técnicamente, en física se dice que
se ha producido una
ruptura espontánea de la simetría: un
sistema que, a priori, se comportaría igual en todos los instantes
del tiempo (una
simetría continua)
pasa a exhibir un
comportamiento periódico, donde se
manifiesta igual sólo
a intervalos fijos de tiempo (una
simetría discreta).
Hay algo más: igual que un material cristalino tiende a
mantener
su estructura periódica aunque se intente deformarlo,
un cristal de tiempo tiende a
mantener su ritmo aunque
éste sea perturbado.
Contra la intuición
Intuitivamente, uno esperaría
que dichos cristales no
existieran, pues suenan peligrosamente como un
móvil
perpetuo, algo prohibido por las
Leyes de la
Termodinámica. De hecho, muy pronto se demostró que
el
ejemplo concreto originalmente propuesto por el propio Wilczek
era incorrecto e incluso los físicos
Haruki Watanabe
y
Masaki Oshikawa
probaron
un célebre teorema
de
imposibilidad de la existencia de cristales temporales.
Caso cerrado… ¿o no?
La idea
seguía siendo demasiado atractiva como para
abandonarla así como así. Además, como bien sabemos,
hecha la
ley, hecha la trampa: el teorema de imposibilidad demostraba
que no podían existir cristales temporales en equilibrio. Pero,
¿y
si considerásemos sistemas fuera del equilibrio? Ha sido a
través de esa rendija por dónde se ha colado toda
la cantidad
de cristales temporales del cual disponemos hoy en día.
El primer ejemplo vino dado por los llamados
cristales
temporales discretos (también llamados cristales de
Floquet), en
los que un sistema sometido a una
pulsación periódica externa
oscila también periódicamente, sólo que
con un período mayor al
de la pulsación. Esta
respuesta subarmónica rompe la
simetría temporal discreta que imponía la pulsación externa.
Llegaron más
En 2017, se produjeron cristales temporales discretos utilizando
centros de
nitrógeno-vacante en diamante y
cadenas de iones,
en lo que constituyó la
primera evidencia experimental de un
cristal temporal. De hecho, recientemente se han realizado
cristales temporales discretos
utilizando láseres ópticos,
un
trabajo
en el que participaron investigadores de la
Universidad de las
Islas Baleares.
Posteriormente, se identificaron variantes como los
cristales
temporales pretérmicos, producidos en el régimen de
calentamiento
extremadamente lento propio de los sistemas pulsados
periódicamente a alta frecuencia, o los
cristales temporales
disipativos, donde el sistema oscila periódicamente al
acoplarse
a otro externo con el que intercambia energía.
Otra posibilidad son los
cristales temporales excitados,
que parten de estados cuánticos iniciales
con una energía muy
alta que utilizan para oscilar periódicamente de manera
espontánea.
Sensores y computación cuántica
Debido a su naturaleza única, los cristales temporales poseen un
gran potencial para
aplicaciones en tecnologías cuánticas.
Una de las más obvias son
relojes, estables y robustos
frente a perturbaciones externas y, aunque probablemente no tan
precisos,
potencialmente más fáciles de construir y
transportar que los relojes atómicos.
Dicha robustez también promete aplicaciones dentro de la
sensórica cuántica,
la cual utiliza sistemas cuánticos para
medir ciertas señales
con una precisión y sensibilidad mayor que la alcanzable por
sistemas clásicos.
En general, los cristales temporales
representan un nuevo
paradigma para la ingeniería cuántica; de hecho,
una de
las realizaciones más sonadas de un cristal temporal se
produjo utilizando
Sycamore,
el procesador cuántico de Google.
Sin embargo, quizás la aplicación más interesante de los cristales
temporales sea
a nivel meramente conceptual, estimulando
el
estudio de la física fuera del equilibrio y de
fenómenos
temporales en general.
Todos estos cristales temporales, aunque
no sean exactamente
los estados de equilibrio que concibió Wilczek originalmente,
ponen sobre la mesa una idea revolucionaria: el tiempo puede ser
una
nueva herramienta con la que se puede jugar para crear fases
de la materia completamente novedosas, lejos del paradigma
tradicional de los
sistemas en equilibrio independientes del
tiempo.
La naturaleza cuántica del tiempo
En particular, una línea de investigación especialmente fascinante
es el estudio de
la naturaleza cuántica
del tiempo mismo utilizando cristales temporales, un
problema fundamental que sigue abierto y que podría tener
implicaciones muy profundas de cara a formular
la ansiada Teoría del Todo.
La provocadora propuesta de Wilczek, aunque
inicialmente
errada, ha pasado en poco más de una década de ser
una
idea teórica exótica e imposible a
una realidad
experimental en el laboratorio, representando ya todo
un
campo de investigación por sí mismo que involucra multitud
de sistemas físicos: desde
átomos
ultrafríos a
láseres ópticos, pasando por
helio-3 líquido,
diamantes o
computadores cuánticos.
Y ahí seguirá la ciencia, esperando
que una nueva equivocación
nos guíe hacia lugares desconocidos.
(Fuente: The Conversation / varios / redacción
propia)
