Source: The Conversation – (in Spanish) – By Juan Ramón Muñoz de Nova, Investigador en Teoría Cuántica Interdisciplinar, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)
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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 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. Estos 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 solo 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 este 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 esta rendija por dónde se ha colado todo el zoo de cristales temporales del cual disponemos hoy en día.
El primer ejemplo vino dado por los llamados cristales temporales discretos, en los que un sistema sometido a una pulsación periódica externa oscila también periódicamente, solo 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 es como 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 fríos 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 cotas desconocidas.
Juan Ramón Muñoz de Nova no recibe salario, ni ejerce labores de consultoría, ni posee acciones, ni recibe financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y ha declarado carecer de vínculos relevantes más allá del cargo académico citado.
– ref. ¿Qué son los cristales de tiempo? – https://theconversation.com/que-son-los-cristales-de-tiempo-287440