Los físicos de Harvard han creado una nueva forma de materia, denominada cristal del tiempo, que podría ofrecer importantes conocimientos sobre el misterioso comportamiento de los sistemas cuánticos.

Tradicionalmente hablando, cristales - como la sal, azúcar o incluso diamantes:son simplemente arreglos periódicos de átomos en una red tridimensional.

Cristales de tiempo por otra parte, tomar esa noción de átomos dispuestos periódicamente y agregar una cuarta dimensión, lo que sugiere que, bajo ciertas condiciones, los átomos de algunos materiales pueden exhibir una estructura periódica a lo largo del tiempo.

Dirigido por los profesores de física Mikhail Lukin y Eugene Demler, un equipo formado por los becarios postdoctorales Renate Landig y Georg Kucsko, Miembro junior Vedika Khemani, y estudiantes graduados del Departamento de Física Soonwon Choi, Joonhee Choi y Hengyun Zhou construyeron un sistema cuántico utilizando una pequeña pieza de diamante incrustada con millones de impurezas de escala atómica conocidas como centros de nitrógeno vacante (NV). Luego usaron pulsos de microondas para "sacar" el sistema del equilibrio, haciendo que los giros del centro NV se muevan a intervalos precisos, uno de los marcadores clave de un cristal de tiempo. El trabajo se describe en un artículo publicado en Naturaleza en marzo.

Otros coautores del estudio son Junichi Isoya, Shinobu Onoda, y Hitoshi Sumiya de la Universidad de Tsukuba, Instituto de Investigación Avanzada Takasaki y Sumitomo, Fedor Jelezko de la Universidad de Ulm, Curt von Keyserlingk de la Universidad de Princeton y Norman Y. Yao de UC Berkeley.

Pero la creación de un cristal de tiempo no es significativa simplemente porque demuestra que los materiales anteriormente solo teóricos pueden existir, Lukin dijo, sino porque ofrecen a los físicos una tentadora ventana al comportamiento de tales sistemas fuera de equilibrio.

"Ahora hay una amplia, trabajo en curso para comprender la física de los sistemas cuánticos que no están en equilibrio, ", Dijo Lukin." Esta es un área que es de interés para muchas tecnologías cuánticas, porque una computadora cuántica es básicamente un sistema cuántico que está muy lejos del equilibrio. Está muy en la frontera de la investigación ... y en realidad solo estamos rascando la superficie ".

Pero si bien la comprensión de estos sistemas que no son de equlibrium podría ayudar a llevar a los investigadores por el camino de la computación cuántica, la tecnología detrás de los cristales del tiempo también puede tener aplicaciones a más corto plazo.

"Un área específica en la que creemos que esto podría ser útil, y esta fue una de nuestras motivaciones originales para este trabajo, está en medición de precisión, "Lukin dijo." Resulta, si está intentando construir ... por ejemplo, un sensor de campo magnético, puedes usar giros del centro NV, ", dijo." Así que es posible que estos estados de no equilibrio de la materia que creamos puedan resultar útiles ".

La noción de que tales sistemas podrían construirse en absoluto, sin embargo, inicialmente parecía poco probable. De hecho, varios investigadores (los nombres son Patrick Bruno, Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa) llegó a demostrar que sería imposible crear un cristal de tiempo en un sistema cuántico que estuviera en equilibrio.

"La mayoría de las cosas que nos rodean están en equilibrio, "Lukin explicó." Eso significa que si tienes un cuerpo caliente y un cuerpo frío, si los juntas, su temperatura se igualará. Pero no todos los sistemas son así ".

Uno de los ejemplos más comunes de un material que está fuera de equilibrio, él dijo, es algo que mucha gente usa a diario:el diamante.

Una forma cristalizada de carbono que se forma bajo intenso calor y presión, el diamante es inusual porque es metaestable, lo que significa que una vez que adopta esa formación cristalina, se quedará así, incluso después de eliminar el calor y la presión.

Es solo muy recientemente, Lukin dijo, que los investigadores comenzaron a darse cuenta de que los sistemas que no están en equilibrio, en particular los conocidos como sistemas "impulsados", que los investigadores pueden "patear" con pulsos de energía periódicos, puede exhibir las características de un cristal de tiempo.

Una de esas características, él dijo, es que la respuesta del cristal a lo largo del tiempo seguirá siendo robusta con respecto a las perturbaciones.

"Un cristal sólido es rígido ... así que si lo presionas, tal vez la distancia entre los átomos cambie un poco, pero el cristal mismo sobrevive, ", dijo." La idea de un cristal de tiempo es tener ese tipo de orden en un dominio de tiempo, pero debe ser robusto ".

Otro ingrediente importante suele ser que si sigue empujando un sistema fuera del equilibrio, comienza a calentarse, pero resulta que hay una clase de sistemas que son resistentes a este calentamiento, ", Agregó Lukin." Resulta que el efecto del cristal de tiempo está fuertemente relacionado con esta idea de que un sistema está excitado, pero no absorbe energía ".

Para construir tal sistema, Lukin y sus colegas comenzaron con una pequeña pieza de diamante que estaba incrustada con tantos centros NV que parecía negra.

"Sometemos ese diamante a pulsos de microondas, que cambian la orientación de los espines de los centros NV, "Explicó Lukin." Eso básicamente toma todos los giros que apuntan hacia arriba y los rechaza, y el siguiente pulso los vuelve a subir ".

Para probar la robustez del sistema, Lukin y sus colegas variaron la sincronización de los pulsos para ver si el material continuaría respondiendo como un cristal de tiempo.

"Si no orienta todos los giros completamente hacia arriba o hacia abajo cada vez, luego muy rápidamente, terminarás con un sistema completamente aleatorio, ", Dijo Lukin." Pero las interacciones entre los centros NV estabilizan la respuesta:obligan al sistema a responder de forma periódica, tiempo de manera cristalina ".

Estos sistemas podrían, en última instancia, ser críticos en el desarrollo de computadoras cuánticas y sensores cuánticos útiles, Lukin dijo, porque demuestran que dos componentes críticos, tiempos de memoria cuántica largos y una densidad muy alta de bits cuánticos, no son mutuamente excluyentes.

"Para muchas aplicaciones, desea ambos, ", Dijo Lukin." Pero estos dos requisitos suelen ser contradictorios ... este es un problema bien conocido. El presente trabajo demuestra que podemos lograr la combinación deseada. Todavía queda mucho trabajo por hacer, pero creemos que estos efectos podrían permitirnos crear una nueva generación de sensores cuánticos, y posiblemente, a la larga, podría tener otras aplicaciones para cosas como los relojes atómicos ".