Siguiendo un plano creado por el físico Norman Yao de UC Berkeley, Los físicos de la Universidad de Maryland hicieron el primer cristal utilizando una cadena unidimensional de iones de iterbio. Cada ion se comporta como un espín electrónico y exhibe interacciones de largo alcance indicadas por las flechas. Crédito:Chris Monroe, Universidad de Maryland
Cristales normales, le gusta el diamante, son una red atómica que se repite en el espacio, pero los físicos sugirieron recientemente hacer materiales que se repitan en el tiempo. El año pasado, Norman Yao de UC Berkeley esbozó las fases que rodean un cristal de tiempo y qué medir para confirmar que este nuevo material es en realidad una fase estable de la materia. Esto estimuló a dos equipos a construir un cristal de tiempo, los primeros ejemplos de una forma de materia que no está en equilibrio.
Para la mayoría de la gente los cristales significan diamantes brillantes, gemas semipreciosas o quizás la amatista dentada o los cristales de cuarzo amados por los coleccionistas.
Para Norman Yao, estos cristales inertes son la punta del iceberg.
Si los cristales tienen una estructura atómica que se repite en el espacio, como la celosía de carbono de un diamante, ¿Por qué los cristales no pueden tener también una estructura que se repita en el tiempo? Es decir, un cristal de tiempo?
En un artículo publicado en línea la semana pasada en la revista Cartas de revisión física , la Universidad de California, El profesor asistente de física de Berkeley describe exactamente cómo fabricar y medir las propiedades de tal cristal, e incluso predice cuáles deberían ser las diversas fases que rodean el cristal de tiempo, similar a las fases líquida y gaseosa del hielo.
Esto no es mera especulación. Dos grupos siguieron el plan de Yao y ya han creado los primeros cristales de tiempo. Los grupos de la Universidad de Maryland y la Universidad de Harvard informaron de sus éxitos, usando dos configuraciones totalmente diferentes, en artículos publicados en línea el año pasado, y han enviado los resultados para su publicación. Yao es coautor de ambos artículos.
Los cristales de tiempo se repiten en el tiempo porque se patean periódicamente, algo así como tocar gelatina repetidamente para que se mueva, Dijo Yao. El gran avance el argumenta, es menos que estos cristales particulares se repitan en el tiempo que que son los primeros de una gran clase de nuevos materiales que están intrínsecamente fuera de equilibrio, incapaz de establecerse en el equilibrio inmóvil de, por ejemplo, un diamante o un rubí.
"Esta es una nueva fase de la materia, período, pero también es realmente genial porque es uno de los primeros ejemplos de materia que no está en equilibrio, "Dijo Yao." Durante el último medio siglo, hemos estado explorando la materia de equilibrio, como metales y aislantes. Ahora estamos empezando a explorar un panorama completamente nuevo de materia que no está en equilibrio ".
Mientras que a Yao le cuesta imaginar el uso de un cristal de tiempo, otras fases propuestas de materia que no está en equilibrio teóricamente son prometedoras como memorias casi perfectas y pueden ser útiles en las computadoras cuánticas.
Este diagrama de fase muestra cómo el cambio de los parámetros experimentales puede "fundir" un cristal de tiempo en un aislante normal o calentar un cristal de tiempo a un estado térmico de alta temperatura. Crédito:Norman Yao, UC Berkeley
Una cadena de iterbio
El cristal de tiempo creado por Chris Monroe y sus colegas de la Universidad de Maryland emplea una línea de conga de 10 iones de iterbio cuyos espines de electrones interactúan. similar a los sistemas qubit que se están probando como computadoras cuánticas. Para mantener los iones fuera de equilibrio, los investigadores los golpearon alternativamente con un láser para crear un campo magnético efectivo y un segundo láser para invertir parcialmente los espines de los átomos, repitiendo la secuencia muchas veces. Debido a que los giros interactuaron, los átomos se establecieron en un establo, patrón repetitivo de giro que define un cristal.
Los cristales de tiempo fueron propuestos por primera vez en 2012 por el premio Nobel Frank Wilczek, y el año pasado, los físicos teóricos de la Universidad de Princeton y la Estación Q de la UC Santa Bárbara demostraron de forma independiente que se podía fabricar un cristal de este tipo. Según Yao, el grupo de UC Berkeley fue "el puente entre la idea teórica y la implementación experimental".
Desde la perspectiva de la mecánica cuántica, Los electrones pueden formar cristales que no coinciden con la simetría de traslación espacial subyacente del ordenado, matriz tridimensional de átomos, Dijo Yao. Esto rompe la simetría del material y da lugar a propiedades únicas y estables que definimos como cristal.
Un cristal de tiempo rompe la simetría del tiempo. En este caso particular, el campo magnético y el láser que impulsan periódicamente los átomos de iterbio producen una repetición en el sistema al doble del período de los impulsores, algo que no ocurriría en un sistema normal.
"¿No sería muy extraño si agitaras la gelatina y descubrieras que de alguna manera responde en un período diferente?" Dijo Yao. "Pero esa es la esencia del cristal de tiempo. Tienes un controlador periódico que tiene un punto 'T', pero el sistema de alguna manera se sincroniza para que usted observe que el sistema oscila con un período que es mayor que 'T' ".
Yao trabajó de cerca con Monroe mientras su equipo de Maryland hacía el nuevo material, ayudándoles a centrarse en las propiedades importantes a medir para confirmar que el material era de hecho un cristal de tiempo estable o rígido. Yao también describió cómo el cristal de tiempo cambiaría de fase, como un cubito de hielo derritiéndose, bajo diferentes campos magnéticos y pulsaciones láser.
El equipo de Harvard, dirigido por Mikhail Lukin, configuró su cristal de tiempo utilizando centros de vacantes de nitrógeno densamente empaquetados en diamantes.
"Resultados similares obtenidos en dos sistemas tremendamente dispares subrayan que los cristales de tiempo son una nueva fase amplia de la materia, no simplemente una curiosidad relegada a sistemas pequeños o estrictamente específicos, "escribió Phil Richerme, de la Universidad de Indiana, en una pieza en perspectiva que acompaña al artículo publicado en Physical Review Letters. "La observación del cristal de tiempo discreto ... confirma que la ruptura de la simetría puede ocurrir esencialmente en todos los reinos naturales, y abre el camino a varias nuevas vías de investigación ".
Yao continúa con su propio trabajo sobre cristales de tiempo mientras explora la teoría detrás de otros materiales novedosos, pero aún no realizados, que no están en equilibrio.
