En constante movimiento sin consumir energía
Desde hace varios meses se habla de que los investigadores han logrado crear cristales de tiempo, extraños cristales cuya estructura atómica se repite no solo en el espacio, sino también en el tiempo, lo que significa que se mueven constantemente sin el gasto de energía.
Ahora se ha confirmado oficialmente: los investigadores solo recientemente han revelado en detalle cómo crear y medir estos extraños cristales. Y dos grupos independientes de científicos afirman que en realidad lograron crear cristales de tiempo en el laboratorio, utilizando las instrucciones proporcionadas, confirmando así la existencia de un tipo de materia completamente nuevo.
El descubrimiento puede parecer completamente abstracto, pero presagia el comienzo de una nueva era en la física, porque durante muchas décadas hemos estudiado solo la materia, que por definición estaba "en equilibrio": metales y aislantes.
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Pero hubo sugerencias sobre la existencia en el Universo de varios tipos extraños de materia, que no están en equilibrio y que ni siquiera hemos comenzado a estudiar, incluidos los cristales de tiempo. Ahora sabemos que esto no es ficción.
El mero hecho de que ahora tengamos el primer ejemplo de materia 'fuera de equilibrio' podría conducir a un gran avance en nuestra comprensión del mundo que nos rodea, así como en tecnologías como la computación cuántica.
“Este es un nuevo tipo de asunto, punto. Pero también es genial que este sea uno de los primeros casos de materia de 'no equilibrio'”, dice el investigador principal Norman Yao de la Universidad de California en Berkeley.
“Durante toda la segunda mitad del siglo pasado, hemos estado estudiando materias en equilibrio, como metales y aislantes. Y solo ahora hemos entrado en el territorio de la materia del 'desequilibrio'.
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Pero hagamos una pausa y miremos hacia atrás, el concepto de cristales de tiempo ha existido durante varios años.
Fueron pronosticados por primera vez por el teórico de la física y premio Nobel Frank Wilczek en 2012. Los cristales de tiempo son estructuras que parecen estar en movimiento incluso al más mínimo nivel de energía conocido como estado fundamental o estado de reposo.
Por lo general, si la materia está en el estado fundamental, también conocido como el estado de energía cero del sistema, significa que el movimiento es teóricamente imposible, porque requiere energía.
Pero Wilczek argumentó que esto no se aplica a los cristales del tiempo.
En los cristales ordinarios, la red atómica se repite en el espacio, al igual que la red de carbono del diamante. Pero, como un rubí o una esmeralda, no se mueven porque están en equilibrio en su estado básico.
Y en cristales de tiempo, la estructura también se repite en el tiempo, no solo en el espacio. Y por lo tanto están en movimiento en el estado básico.
Imagina gelatina. Si lo pincha con el dedo, comenzará a vibrar. Lo mismo ocurre con los cristales de tiempo, pero la gran diferencia es que no requieren energía para moverse.
Un cristal de tiempo es como una gelatina que vibra constantemente en su estado básico habitual, y esto es lo que lo convierte en un nuevo tipo de materia: materia de "no equilibrio". Que simplemente no puede quedarse quieto.
Pero una cosa es predecir la existencia de tales cristales y otra muy distinta crearlos realmente, que es lo que sucedió en las últimas investigaciones.
Yao y su equipo crearon un diagrama detallado en el que describieron en detalle cómo crear y medir las características de un cristal de tiempo, e incluso predecir cuáles deberían ser las distintas fases que rodean a un cristal de tiempo, en otras palabras, describieron los equivalentes de estados sólido, líquido y gaseoso de un nuevo tipo de materia.
Yao calificó el artículo publicado en Physical Review Letters como "un puente entre la idea teórica y la implementación experimental".
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Y esto no es especulación en absoluto. Siguiendo las instrucciones de Yao, dos grupos independientes, uno de la Universidad de Maryland y el otro de Harvard, lograron crear sus propios cristales de tiempo.
Los resultados de ambos estudios se anunciaron a fines del año pasado en arXiv.org (aquí y aquí) y se enviaron a revistas revisadas por pares para su publicación. Yao es coautor de ambos artículos.
Mientras esperamos las publicaciones, vale la pena permanecer escéptico sobre las declaraciones. Pero el mismo hecho de que dos grupos independientes hayan logrado crear cristales de tiempo utilizando el mismo esquema en condiciones completamente diferentes suena prometedor.
En la Universidad de Maryland, los cristales de tiempo se crearon a partir de una cadena de 10 iones de iterbio, todos con espines de electrones entrelazados.
La clave para convertir esta base en un cristal de tiempo era mantener los iones en desequilibrio y, para ello, eran golpeados a su vez por dos láseres. Un láser creó un campo magnético, el segundo láser desenrolló parcialmente los espines de los átomos.
Dado que los espines de los átomos se entrelazaron inicialmente, pronto entraron en el patrón de rotación de espín estable y repetitivo que define el cristal.
Esto era normal, pero para convertirse en un cristal de tiempo, el sistema tenía que romper la simetría en el tiempo. Mientras observaban la cadena de átomos de iterbio, los investigadores notaron algo inusual.
Dos láseres, que golpeaban periódicamente átomos de iterbio, provocaban una repetición en el sistema con un período dos veces mayor que el período de los "choques", que era exactamente lo que no podía ocurrir en un sistema normal.
"¿No sería muy extraño si pincharas gelatina y descubrieras que reacciona con diferentes períodos de tiempo?" - explica Yao.
“Pero esta es la naturaleza del cristal del tiempo. Tienes algún tipo de patógeno con un período de T, pero el sistema está sincronizado de alguna manera y observas su movimiento con un período superior a T."
Dependiendo del campo magnético y la pulsación del láser, el cristal de tiempo podría cambiar su fase, como un cubo derretido.
Crystal de Harvard era diferente. Los investigadores lo crearon utilizando centros de vacantes de nitrógeno denso en el diamante, pero obtuvieron el mismo resultado.
“Estos resultados similares de dos sistemas muy diferentes confirman que los cristales de tiempo son una forma extendida de materia y no una característica curiosa que solo se observa en un sistema pequeño y especial”, explica Phil Rifermey de la Universidad de Indiana en un estudio adjunto. nota de trabajo, no participó en el estudio, pero revisó el artículo.
"La observación de este único cristal de tiempo … confirma que la ruptura de la simetría puede ocurrir en todas las áreas de la naturaleza, y esto abre nuevas áreas para la investigación".
El diagrama de Yao se publicó en Physical Review Letters, y puede leer un artículo de Harvard sobre cristales de tiempo aquí y un artículo de la Universidad de Maryland aquí.
