Los cristales de tiempo pueden parecer algo de ciencia ficción, tener más que ver con el viaje en el tiempo o con el Dr. Who. Estos extraños materiales, en los que los átomos y las moléculas están dispuestos en el espacio y el tiempo, son de hecho bastante reales, y están abriendo formas completamente nuevas de pensar sobre la naturaleza de la materia. Eventualmente, también pueden ayudar a proteger la información en dispositivos futuristas conocidos como computadoras cuánticas.

Dos grupos de investigadores de la Universidad de Harvard y la Universidad de Maryland informan el 9 de marzo en la revista Naturaleza que han creado cristales de tiempo con éxito utilizando teorías desarrolladas en la Universidad de Princeton. El equipo con sede en Harvard incluyó a científicos de Princeton que desempeñaron un papel fundamental en la elaboración de la comprensión teórica que condujo a la creación de estos cristales exóticos.

"Nuestro trabajo descubrió la física esencial de cómo funcionan los cristales de tiempo, "dijo Shivaji Sondhi, un profesor de física de Princeton. "Qué es más, este descubrimiento se basa en un conjunto de desarrollos en Princeton que aborda la cuestión de cómo entendemos los sistemas complejos dentro y fuera del equilibrio, que es de vital importancia para la forma en que los físicos explican la naturaleza del mundo cotidiano ".

En 2015, Sondhi y sus colegas, incluida la entonces estudiante graduada Vedika Khemani, quien obtuvo su Ph.D. en Princeton en 2016 y ahora es miembro junior de Harvard, así como los colaboradores Achilleas Lazarides y Roderich Moessner en el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos en Alemania, publicó la base teórica de cómo los cristales de tiempo —al principio considerados imposibles— podían existir en realidad. Publicado en la revista Cartas de revisión de física en junio de 2016, el documento estimuló las conversaciones sobre cómo construir tales cristales.

Cristales ordinarios como diamantes, El cuarzo o el hielo están formados por moléculas que se organizan espontáneamente en patrones tridimensionales ordenados. Los átomos de sodio y cloro en un cristal de sal, por ejemplo, están espaciados a intervalos regulares, formando una celosía hexagonal.

En cristales de tiempo sin embargo, Los átomos están dispuestos en patrones no solo en el espacio, pero también en el tiempo. Además de contener un patrón que se repite en el espacio, Los cristales de tiempo contienen un patrón que se repite con el tiempo. Una forma de que esto suceda es que los átomos del cristal se muevan a una cierta velocidad. Si existiera un cristal de hielo en el tiempo, todas las moléculas de agua vibrarían a una frecuencia idéntica. Qué es más, las moléculas harían esto sin ningún aporte del mundo exterior.

El concepto de cristales de tiempo se originó con el físico Frank Wilczek del Instituto de Tecnología de Massachusetts. En 2012, el premio Nobel y ex miembro de la facultad de Princeton estaba pensando en las similitudes entre el espacio y el tiempo. En el lenguaje de la física, Se dice que los cristales "rompen la simetría de traslación en el espacio" porque los átomos se ensamblan en patrones rígidos en lugar de esparcirse uniformemente. ya que están en un líquido o un gas. ¿No debería haber también cristales que rompan la simetría traslacional en el tiempo?

"Los átomos se mueven en el tiempo, pero en lugar de moverse de forma fluida o continua, se mueven de forma periódica, "Dijo Sondhi." Fue una idea interesante. "También fue una idea que llevó a acalorados debates en las revistas de física sobre si tales cristales podrían existir. La conclusión inicial parecía ser que no podían, al menos no en los escenarios que Wilczek visualizó.

Sondhi y Khemani estaban pensando en un problema completamente diferente en 2015 cuando desarrollaron la teoría de cómo podrían existir los cristales de tiempo. Estaban explorando preguntas sobre cómo se establecen los átomos y las moléculas, o llegar al equilibrio, para formar fases de materia como los sólidos, líquidos y gases.

Si bien era una sabiduría común entre los físicos que todos los sistemas finalmente se estabilizan, El trabajo durante la última década más o menos había desafiado esa noción, específicamente entre átomos a temperaturas muy bajas donde se aplican las reglas de la física cuántica. Se comprendió que hay sistemas que nunca llegan al equilibrio debido a un fenómeno llamado "localización de muchos cuerpos, "que ocurre debido al comportamiento de muchos átomos en un sistema cuántico desordenado que se influyen entre sí.

Trabajar en esta área es una larga tradición de Princeton. El primer y fundamental concepto de cómo se pueden localizar los sistemas cuánticos cuando están desordenados, llamada localización de Anderson, derivado del trabajo de Philip Anderson, un profesor de Princeton y premio Nobel, en 1958. Este trabajo se extendió en 2006 a sistemas de muchos átomos por el entonces profesor de Princeton, Boris Altshuler, becario postdoctoral Denis Basko, e Igor Aleiner de la Universidad de Columbia.

Mientras estaba de año sabático en el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos en Alemania, Sondhi y Khemani se dieron cuenta de que estas ideas sobre cómo evitar que los sistemas alcanzaran el equilibrio permitirían la creación de cristales de tiempo. Un sistema en equilibrio no puede ser un cristal de tiempo, pero los sistemas que no están en equilibrio pueden crearse pinchando periódicamente, o "conducir, "un cristal al hacer brillar un láser sobre sus átomos. Para sorpresa de los investigadores, sus cálculos revelaron que pinchar periódicamente átomos que estaban en fases localizadas de muchos cuerpos fuera de equilibrio provocaría que los átomos se movieran a una velocidad dos veces más lenta —o el doble del período— que la velocidad inicial a la que fueron empujados.

Para explicar, Sondhi comparó la conducción del sistema cuántico con apretar periódicamente una esponja. "Cuando sueltas la esponja, esperas que recupere su forma. Imagínese ahora que solo recupera su forma después de cada segundo apretón, aunque esté aplicando la misma fuerza cada vez. Eso es lo que hace nuestro sistema, " él dijo.

El investigador postdoctoral de Princeton Curt von Keyserlingk, quien contribuyó con trabajo teórico adicional con Khemani y Sondhi, dijo, "Explicamos cómo los sistemas de cristales de tiempo se bloquean en las oscilaciones persistentes que significan una ruptura espontánea de la simetría de traslación del tiempo". El trabajo adicional realizado por investigadores de la estación Q de Microsoft y la Universidad de California-Berkeley llevó a una mayor comprensión de los cristales de tiempo.

Como resultado de estos estudios teóricos, dos grupos de experimentadores comenzaron a intentar construir cristales de tiempo en el laboratorio. El equipo de Harvard, que incluía a Khemani en Harvard y von Keyserlingk en Princeton, utilizó una configuración experimental que implicaba la creación de una celosía artificial en un diamante sintético. Un enfoque diferente en la Universidad de Maryland utilizó una cadena de partículas cargadas llamadas iones de iterbio. Ambos equipos han publicado ahora el trabajo esta semana en Naturaleza .

Ambos sistemas muestran el surgimiento del comportamiento cristalino del tiempo, dijo Christopher Monroe, un físico que dirigió el esfuerzo en la Universidad de Maryland. "Aunque las aplicaciones para este trabajo están en un futuro lejano, estos experimentos nos ayudan a aprender algo sobre el funcionamiento interno de este estado cuántico tan complejo, " él dijo.

La investigación eventualmente puede conducir a ideas sobre cómo proteger la información en computadoras cuánticas, que puede verse alterada por la interferencia del mundo exterior. La localización de muchos cuerpos puede proteger la información cuántica, según una investigación publicada en 2013 por el equipo de Princeton de David Huse, el profesor de física Cyrus Fogg Brackett, así como a Sondhi y sus colegas Rahul Nandkishore, Vadim Oganesyan y Arijeet Pal. La investigación también arroja luz sobre las formas de proteger las fases topológicas de la materia, investigación para la cual F. Duncan Haldane de Princeton, el profesor de física Eugene Higgins, compartió el Premio Nobel de Física 2016.

Sondhi dijo que el trabajo aborda algunas de las preguntas más fundamentales sobre la naturaleza de la materia. "Se pensaba que si un sistema no se estabiliza y llega al equilibrio, Realmente no se podría decir que está en una fase. Es muy importante cuando se puede dar una definición de una fase de la materia cuando la materia no está en equilibrio, " él dijo.

Este escenario de desequilibrio ha permitido la realización de nuevas y emocionantes fases de la materia, según Khemani. "La creación de cristales de tiempo nos ha permitido agregar una entrada al catálogo de posibles órdenes en el espacio-tiempo, antes se pensaba imposible, "Dijo Khemani.

Los artículos "Observación de un orden cristalino discreto en el tiempo en un sistema dipolar desordenado de muchos cuerpos" y "Observación de un cristal en el tiempo discreto" fueron publicados el 9 de marzo por Naturaleza .