Bosquejo que muestra la cavidad óptica con el condensado de Bose-Einstein en su centro. Crédito:Keßler et al.
Un cristal de tiempo es una fase única y exótica de la materia predicha por primera vez por el físico estadounidense Frank Wilczek en 2012. Los cristales de tiempo son análogos temporales de los cristales espaciales más convencionales. ya que ambos se basan en estructuras caracterizadas por patrones repetidos.
En lugar de formar patrones repetitivos en el espacio tridimensional (3D), como hacen los cristales espaciales, Los cristales de tiempo se caracterizan por cambios en el tiempo que ocurren en un patrón establecido. Si bien algunos equipos de investigación han podido realizar estas fases exóticas de la materia, hasta aquí, estas realizaciones solo se han logrado utilizando sistemas cerrados. Esto planteó la cuestión de si los cristales de tiempo también podrían realizarse en sistemas abiertos, en presencia de disipación y decoherencia.
Investigadores del Instituto de Física Láser de la Universidad de Hamburgo han descubierto recientemente un cristal de tiempo en un sistema cuántico abierto por primera vez. Su papel publicado en Cartas de revisión física , podría tener implicaciones importantes para el estudio de fases exóticas de la materia en sistemas cuánticos.
"El objetivo principal de nuestra investigación es investigar las fases dinámicas de la materia conocidas por cómo sus propiedades cambian con el tiempo de manera ordenada, "Hans Keßler, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Durante mis estudios de doctorado, mis colegas y yo investigamos la transición de fase de un BEC homogéneo a una fase superradiante autoordenada y estábamos estudiando cómo reacciona el sistema en una extinción de un estado estable a otro ".
Como ningún estado físico es innatamente estable, el siguiente paso de la investigación anterior llevada a cabo por Keßler y sus colegas fue investigar las fases dinámicas de la materia. Se trata esencialmente de transiciones a través de las cuales los materiales cambian sus propiedades con el tiempo.
El objetivo principal del estudio reciente de los investigadores fue realizar un cristal de tiempo disipativo en un entorno de laboratorio. Para hacer esto, utilizaron un sistema cuántico de muchos cuerpos fuertemente acoplado a una cavidad óptica de banda estrecha.
Bosquejo que muestra la cavidad óptica con el condensado de Bose-Einstein en su centro. Crédito:Keßler et al.
"Fue crucial para nuestros experimentos que el campo de luz dentro del resonador y la densidad del sistema de muchos cuerpos evolucionaran sobre la misma base, que viene dada por el ancho de banda de la cavidad y la frecuencia correspondiente a un solo retroceso fotónico, respectivamente, "Explicó Keßler." Esta situación es única en nuestro sistema átomo-cavidad y abre la posibilidad de estudiar las fases dinámicas de la materia ".
Como los sistemas físicos reales nunca están completamente aislados de su entorno, son susceptibles a la disipación (es decir, pérdida o desperdicio de energía). Esto hace que sea difícil o imposible realizar sistemas cuánticos que estén realmente cerrados durante períodos de tiempo arbitrarios. Esto es lo que finalmente inspiró a Keßler y sus colegas a intentar la realización de un cristal de tiempo en un sistema cuántico abierto.
"Hasta aquí, los cristales de tiempo que se demostraron en varios grupos requirieron un aislamiento cuidadoso del medio ambiente, Dado que la disipación tiene el efecto indeseable de 'derretir' esos cristales de tiempo, ", Dijo Keßler." Lo único del cristal de tiempo en nuestra configuración de cavidad atómica es su papel positivo en la prevención de la disipación, ya que ayuda a estabilizar la dinámica del sistema. La demostración del orden cristalino del tiempo en un sistema abierto es, por tanto, el logro más importante de nuestro estudio ".
El estudio reciente de este equipo de investigadores ofrece una fuerte evidencia de que un cristal de tiempo discreto puede existir en un sistema de cavidad átomo abierto y conducido. Keßler y sus colegas ahora están tratando de realizar un cristal de tiempo continuo utilizando el mismo sistema de cavidad átomo que usaron en su trabajo reciente.
La diferencia clave entre este cristal de tiempo disipativo continuo y el cristal de tiempo disipativo discreto realizado como parte de su estudio reciente es que el primero oscila incluso en ausencia de un impulso periódico de tiempo. Como resultado de esta oscilación, el nuevo cristal que están investigando rompe espontáneamente una simetría de traslación temporal continua.
"Como propusimos para el escenario descrito en nuestro documento reciente, nuestro sistema de cavidad átomo cambiará a un estado de materia caracterizado por oscilaciones periódicas a alguna frecuencia intrínseca, "Añadió Keßler." Se espera que la fase relativa de las oscilaciones en un cristal de tiempo así tome valores entre 0 y 2pi. Esto es muy diferente de los cristales de tiempo discretos, en donde la fase relativa solo puede ser 0 o pi. En cierto sentido, un cristal de tiempo continuo está más cerca de un cristal sólido en el sentido de que ambos rompen la simetría continua.
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