Se confirma la existencia de los cristales de tiempo, un nuevo estado de la materia

El acceso a la mejor tecnología disponible en nuestra era permite a la ciencia investigar aquellas predicciones que desafían todo lo que creíamos saber sobre el universo. Por esta razón, la física nunca deja de sorprendernos. Y en esta ocasión se demostró la existencia de los «cristales de tiempo», que comenzó siendo una teoría en el 2012, refutada al principio y demostrada cinco años más tarde.

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El equipo de especialistas se centró en la propiedad de las partículas con momento angular, el espín. Según reportaron en sus resultados, esta propiedad podría ser revertida constantemente por una fuerza externa en intervalos regulares, generando así el movimiento oscilatorio.

A finales del pasado mes de enero, dos equipos independientes de investigadores, de las Universidades de Maryland y Harvard, habían logrado, cada uno por su cuenta y usando métodos diferentes, crear por primera vez cristales de tiempo. Los trabajos, por aquel entonces, estaban aún a la espera de ser publicados por una revista científica «seria». Algo que, por fin, ha ocurrido esta misma semana.

Nature, en efecto, una de las publicaciones científicas más prestigiosas del mundo, acaba de publicar en su último número uno de esos dos estudios, el de la Universidad de Maryland, avalando así el nacimiento de toda una nueva rama de la Física y dando carta de identidad a algo que hasta hace apenas un año se consideraba una mera especulación. La creación de cristales de tiempo nos conduce hacia formas aún inexploradas de la materia y abre las puertas a una realidad que hasta hace poco se consideraba poco más que un juego matemático.

Cosas como la sal, los copos de nieve o los diamantes son, todos ellos, cristales, lo cual significa que los átomos que los componen están dispuestos en patrones tridimensionales que se repiten. Pero el trabajo que publica Nature nos habla de una nueva fase de la materia, un cristal de tiempo, en la que los átomos se mueven en un patrón que se repite, sí, pero en el tiempo, no en el espacio. Y nos explica exactamente cómo los científicos han conseguido, por primera vez, crear esas extraordinarias estructuras.

Seguir un patrón temporal (en vez de espacial) implica que los átomos de un cristal de tiempo nunca se acomodan en su estado fundamental, cosa que sí hacen los átomos de los cristales convencionales. Por lo general, cuando un material está en su estado fundamental (estado de mínima energía, también conocido como energía de punto cero de un sistema) su movimiento es imposible, porque eso requeriría un gasto de energía de la que ese sistema ya no dispone.

Uno de los santos griales de la física es entender qué tipos de materia pueden existir en la naturaleza. Existen muchos materiales extraños como superconductores y superfluidos, pero las fases de no equilibrio —como los cristales de tiempo— representan un camino diferente a todas las cosas que se han estudiado en el pasado.

Por eso, los cristales «normales», como un rubí o un diamante, permanecen inmóviles, ya que están en equilibrio y en su estado fundamental. Pero los cristales de tiempo tienen, repetimos, una estructura que no se repite en el espacio, sino en el tiempo, y por lo tanto siguen oscilando incluso en su estado fundamental. Es decir, nunca alcanzan el equilibrio. Lo más perturbador es que esa oscilación cíclica y repetida tiene lugar una y otra vez sin necesidad de utilizar energía alguna. Ante este panorama, los físicos se sienten como exploradores que entraran por primera vez en un continente totalmente desconocido.

Ordenadores cuánticos

Para Andrew Potter, uno de los firmantes del artículo, «hemos abierto las puertas a todo un nuevo mundo de fases no equilibradas. Hemos reunido las ideas teóricas en las que hemos trabajado durante los últimos dos años y hemos conseguido hacerlas realidad en un laboratorio. Con suerte, este es solo el primer ejemplo de los muchos que están por venir». Aunque por ahora es pronto para pensar en aplicaciones concretas, algunas de estas «fases no equilibradas de la materia» podrían resultar tremendamente útiles para almacenar o transferir información en los futuros ordenadores cuánticos.

Potter forma parte del equipo de investigadores que creó con éxito el primer cristal de tiempo a partir de iones (átomos cargados eléctricamente) del elemento Yterbio. Aplicando el campo eléctrico correcto, los científicos lograron hacer levitar diez de estos iones sobre una superficie sólida. Después, empezaron a «golpear» repetidamente esos átomos con un pulso de láser, haciendo que. literalmente, «se dieran la vuelta». Por último, siguieron golpeándolos a un ritmo regular, hasta conseguir que se estableciera un patrón de «volteretas» que se repetía en el tiempo.

Sin embargo, señala Potter, la repetición de las «volteretas» de los átomos sólo se producía la mitad de rápido que los pulsos láser. Lo cual sería como golpear las teclas de un piano dos veces por segundo y que las notas se emitieran solo una vez por segundo. Ese extraño comportamiento cuántico era la «firma» que los investigadores habían predicho al elaborar sus teorías, y ayudó, por lo tanto, a confirmar que el resultado era, realmente, un cristal de tiempo.

Cristal de tiempo en la Universidad de Harvard.

Cristal de tiempo en la Universidad de Harvard.

La existencia de los cristales de tiempo fue propuesta por primera vez en 2012 por el Nobel de Física Frank Wilczek, del Instituto de Tecnología de Massachussetts, que fue el primero en imaginar un estado de la materia en la que los átomos se movieran en un patrón que se repite en el tiempo, y no en el espacio. A partir de ahí, el propio Potter y su colega Norman Yao, de la Universidad de Berkeley, elaboraron una auténtica «receta» para construir un cristal de tiempo y desarrollaron el modo de confirmar que, una vez conseguido, el resultado fuera realmente el esperado.

Ese trabajo teórico se publicó a finales del pasado agosto en la revista Physical Review Letters. Poco después, el equipo de Maryland conseguía su hazaña, que ahora recibe todas las bendiciones tras su publicación de Nature.

Apenas un mes después de este logro, otro equipo de científicos, esta vez de la Universidad de Harvard y bajo la dirección de Mikhail Lukin, consiguieron crear un segundo cristal de tiempo, en esta ocasión a partir de un diamante. No cabe duda de que, a partir de ahora, se sucederá toda una oleada de estudios y experimentos que nos adentrarán, cada vez más, en este mundo hasta ahora desconocido. La era de los cristales de tiempo ha comenzado, y nadie puede decir aún con certeza hasta dónde nos llevará.


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