Algunas de las predicciones más profundas de la física teórica, como las ondas gravitacionales de Einstein o el bosón de Higgs, han tardado décadas en probarse con experimentos. Pero de vez en cuando una predicción puede convertirse en un hecho establecido en un tiempo asombrosamente corto. Esto es lo que sucedió con los "cristales de tiempo", un nuevo y extraño estado de la materia que se teorizó, refutado, renovado y finalmente creado en solo cinco años desde que se predijo por primera vez en 2012.

Cristales, como el diamante y el cuarzo, están formados por átomos dispuestos en un patrón repetitivo en el espacio. En estos nuevos cristales, Los átomos también siguen un patrón repetitivo, pero a tiempo. Debido a esta extraña propiedad, Los cristales de tiempo podrían algún día encontrar aplicaciones en tecnologías revolucionarias como la computación cuántica.

La historia de los cristales del tiempo comienza en 2012 con el premio Nobel Frank Wilczek del MIT. Como físico teórico y matemático, Wilczek dio un paso crucial al transferir una propiedad clave de los cristales regulares, llamada ruptura de simetría, para crear la idea de cristales de tiempo.

Para entender qué es la ruptura de la simetría, piense en agua líquida. En una gota de agua las moléculas pueden moverse libremente y pueden estar en cualquier lugar dentro del líquido. El líquido se ve igual en cualquier dirección, lo que significa que tiene un alto grado de simetría. Si el agua se congela para formar hielo, Las fuerzas de atracción entre las moléculas las obligan a reorganizarse 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, por eso decimos que la simetría del líquido se ha roto al congelarse en hielo.

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

En 2012, A Wilczek se le ocurrió una idea tentadora. Se preguntó si de la misma manera que un cristal rompe la simetría en el espacio, sería posible crear un cristal rompiendo una simetría equivalente en el tiempo. Esta fue la primera vez que se teorizó la idea de un cristal de tiempo.

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

Máquinas de movimiento perpetuo, que son máquinas que pueden funcionar indefinidamente sin una fuente de energía, están prohibidos por las leyes de la física. Wilczek reconoció esta rareza de su teoría del cristal del tiempo y, en 2015, otro grupo de físicos teóricos mostró que un cristal de movimiento perpetuo sería realmente imposible.

Pero este no fue el final de la historia. En 2016, Una nueva investigación mostró que los cristales de tiempo todavía podrían existir en teoría, pero solo si hubiera alguna fuerza impulsora externa. La idea era que la regularidad del tiempo estaría de alguna manera inactiva, oculto a la vista, y que agregar un poco de energía le daría vida y lo desvelaría. Esto resolvió la paradoja del movimiento perpetuo, y trajo nuevas esperanzas para la existencia de cristales de tiempo.

Luego, en el verano de 2016, las condiciones para crear y observar cristales de tiempo se establecieron en un artículo en el repositorio arXiv en línea, y posteriormente publicado en la revista Physical Review Letters. Los investigadores estudiaron cómo una propiedad especial de las partículas conocida como espín cuántico podría ser revertida repetidamente por una fuerza externa a intervalos regulares. Ellos predijeron que si hacían esto con un conjunto de partículas, las interacciones entre las partículas producirían sus propias oscilaciones en el espín, creando un cristal de tiempo "impulsado".

En cuestión de meses dos grupos experimentales diferentes habían asumido el desafío de crear los cristales de tiempo en el laboratorio. Uno de los equipos disparó pulsos de láser a un tren de átomos de iterbio que produjeron oscilaciones en las propiedades de los átomos, a diferentes intervalos de los pulsos. Esto significaba que los átomos de iterbio se comportaban como un cristal de tiempo.

El otro equipo se centró en un sistema completamente diferente, que consiste en impurezas en un cristal de diamante. Utilizaron microondas para perturbar las impurezas a intervalos bien definidos, y observó el mismo tipo de oscilaciones de cristales de tiempo que el primer equipo. Al final, Se habían creado cristales de tiempo y las principales ideas de Wilczek demostraron ser ciertas.

Futuro cristalino

La predicción, La realización y el descubrimiento de cristales de tiempo abre un nuevo capítulo en la mecánica cuántica, con preguntas sobre las propiedades de este estado de la materia recién descubierto y si los cristales de tiempo podrían ocurrir en la naturaleza.

Las propiedades de ruptura de simetría de los cristales ordinarios han llevado a la creación de metamateriales fonónicos y fotónicos, Materiales diseñados deliberadamente que controlan selectivamente las vibraciones acústicas y la luz que se pueden utilizar para mejorar el rendimiento de las prótesis. o para aumentar la eficiencia de los láseres y las fibras ópticas. Por lo tanto, las propiedades de los cristales de tiempo que rompen la simetría del tiempo probablemente encontrarán su camino hacia campos igualmente novedosos, como crono-metamateriales para computación cuántica, que utiliza las propiedades inherentes de los átomos para almacenar y procesar datos.

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

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.