Los Cristales del Tiempo: Cómo los Científicos Crearon un Nuevo Estado de la Materia

Alguna de las más profundas predicciones de la física teórica, como las ondas gravitacionales de Einstein o el bosón de Higgs, han tomado décadas para probarse con experimentos. Pero de cuando en cuando, una predicción puede convertirse en un hecho establecido en un inaudito corto tiempo. Esto fue lo que sucedió con los “cristales del tiempo”, un nuevo y extraño estado de la materia que ha sido teorizado, refutado, remendado y finalmente creado en sólo cinco años desde que fue primero predicho en el 2012.

Los cristales, como el diamante y el cuarzo, están hechos de átomos organizados en un patrón repetitivo en el espacio. En cambio, en estos nuevos cristales, los átomos siguen un patrón repetitivo, pero en el tiempo. Debido a esta rara propiedad, los cristales del tiempo podrían algún día encontrar aplicaciones en tecnologías revolucionarias como la computación cuántica.

La historia de los cristales del tiempo comienza en el 2012, con el ganador del Premio Nobel Frank Wilczek, proveniente del MIT. Como un físico teórico y matemático, Wilczek dio un paso crucial en transferir una propiedad clave de los cristales comunes – llamada “quiebre de simetría” – para crear la idea de los cristales del tiempo.

Para entender qué es el quiebre de la simetría, piense en el agua en su estado líquido. En una gota de agua, las moléculas son libres de moverse alrededor y pueden estar en cualquier parte dentro del líquido. El líquido se ve igual en cualquier dirección, es decir, tiene un alto grado de simetría. Si el agua se congela para formar el hielo, las fuerzas atrayentes entre las moléculas las fuerzan para reordenarlas en un cristal, donde las moléculas están espaciadas a intervalos regulares. Pero esta regularidad significa que el cristal no es tan simétrico como el líquido, y por tanto decimos que la simetría del líquido se ha quebrado al congelarlo en hielo.

El quiebre de la simetría es uno de los conceptos más profundos en la física. Está tras la formación de cristales, pero además aparece en muchos otros fundamentales procesos. Por ejemplo, el famoso mecanismo de Higgs, que explica cómo las partículas subatómicas llegan a adquirir masa, es un proceso del quiebre de la simetría.

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Los cristales tienen regulares pero asimétricas disposiciones atómicas. Shutterstock/SmirkDingo

De vuelta al 2012, Wilczek surgió con una tentadora idea. Se preguntó si, de la misma forma que un cristal rompe la simetría en el espacio, sería posible de crear un cristal que rompa una equivalente simetría en el tiempo. Esta fue la primera vez que la idea de un cristal del tiempo era teorizada.

Tal objeto tendría una intrínseca regularidad del tiempo, equivalente al patrón regular del cristal en el espacio. Para un cristal del tiempo, el patrón sería un continuo cambio de ida y vuelta en una de sus propiedades físicas, una especie de latido del corazón que se repite para siempre, un poco como una máquina de movimiento perpetuo.

Las máquinas de movimiento perpetuo, que son máquinas que pueden funcionar indefinidamente sin una fuente de energía, están prohibidas de las leyes de la física. Wilczek reconoció esta singularidad de su teoría del cristal del tiempo y, en el 2015, otro grupo de físicos teóricos demostró que un cristal de movimiento perpetuo sería, efectivamente, imposible.

Pero este no era el final de la historia. En el 2016, nuevas investigaciones mostraron que los cristales del tiempo podrían aún existir en teoría, pero sólo si hubiera alguna fuerza motriz externa. La idea era que la regularidad del tiempo sería de alguna manera durmiente, escondida a la vista, y que al añadir un poco de energía lo traería a la vida y lo revelaría. Esto resolvió la paradoja del movimiento perpetuo, y trajo nuevas esperanzas para la existencia de los cristales del tiempo.

Entonces, en el verano del 2016, las condiciones para crear y observar a los cristales del tiempo fueron dispuestas en un artículo del repositorio en línea arXiv, y luego publicados en la revista especializada Physical Review Letters. Los investigadores estudiaron cómo una propiedad especial de las partículas conocida como giro cuántico podría repetidamente revertirse por una fuerza externa en intervalos regulares. Predijeron que si hacían esto a un grupo de partículas, las interacciones entre ellas producirían sus propias oscilaciones en el giro, creando un cristal del tiempo “motriz”.

En un espacio de meses, dos diferentes grupos experimentales se tomaron el reto de crear los cristales del tiempo en sus laboratorios. Uno de los equipos disparó pulsos láser a un tren de átomos de iterbio que produjo oscilaciones en las propiedades de los átomos, en diferentes intervalos de los pulsos. Esto significó que los átomos de iterbio se estaban comportando como un cristal del tiempo.

El otro equipo se enfocó en un sistema completamente diferente, que consistía en las impurezas en un cristal de diamante. Usaron micro-ondas para alterar las impurezas en intervalos bien definidos, y observaron el mismo tipo de oscilaciones del cristal del tiempo que los del primero equipo. Al final, los cristales del tiempo han sido creados y las principales ideas de Wilczek se probaron verdaderas.

Futuro del Cristal

La predicción, realización y descubrimiento de los cristales del tiempo abre un nuevo capítulo en la mecánica cuántica, con preguntas acerca de las propiedades de este nuevo encontrado estado de la materia y si los cristales del tiempo pueden existir en la naturaleza.

Las propiedades del quiebre de la simetría de los cristales ordinarios han llevado a la creación de metamateriales fonónicos y fotónicos, materiales deliberadamente diseñados que selectivamente controlan las vibraciones acústicas y la luz que pueden ser usados para mejorar el rendimiento de las prótesis, o incrementar la eficiencia de los lásers y las fibras ópticas. Entonces, las propiedades del quiebre temporal de la simetría de los cristales del tiempo muy probable encontrarán su camino en campos igual de novedosos, como los crono-metamateriales para la computación cuántica, que usa las propiedades inherentes de los átomos para almacenar y procesar datos.

La historia de los cristales del tiempo comenzó con una hermosa idea de un físico teórico, y ahora ha culminado su primer capítulo con concluyente evidencia experimental después de tan sólo cinco años. Lejos de llegar a su fin mientras los físicos comprueban sus grandes teorías, parece que la física está más viva que nunca.

[Traducido del artículo “Time Crystals: How Scientists Created A New State Of Matter”].

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