La búsqueda de cristalizar Tiempo

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Es el resultado de hurgar en átomos con luz, de masajearlos con láser para conocer sus propiedades, organizarlos en cadenas para fabricar ordenadores cuánticos básicos, dio como resultado: intentar  crear un cristal de tiempo.

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Christopher Moore

Pero esto no es una falsa interpretación de un cuento Borgiano, mas bien tiene sus raíces en la física real. “Los cristales del tiempo son estructuras hipotéticas que pulsan sin requerir ninguna energía -como un reloj que nunca necesita de bobinado. El patrón se repite en el tiempo de la misma manera que los átomos de una repetición de cristal en el espacio” Según Christopher Moore.

Esta idea es tan única que no en vano del dieron el Nobel al fisico Frank Wilzek, quien la propuso en 2012 mediante el concepto de provocación.

Pero había una lagúna de vacios en esas afirmaciones, y los investigadores en una rama separada de la física encontraron una manera de explotar la brecha. Moore, un físico de la Universidad de Maryland en College Park, y su equipo utilizaron cadenas de átomos que habían construidos para otros fines de hacer una versión de un cristal de tiempo. “Yo diría que es una especie de cayó en nuestro regazo”, dice Monroe.

Y un grupo dirigido por investigadores de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, formado de forma independiente los cristales del tiempo de diamantes “sucios”. Ambas versiones, que se publican esta semana en  la revista nature , se  consideran los cristales del tiempo , pero no cómo Wilczek imaginó originalmente. “Es menos raro que la primera idea, pero aún así es sumamente rara”, dice Norman Yao, un físico de la Universidad de California, Berkeley, y un autor en ambos papeles.

También son los primeros ejemplos de un notable tipo de materia, un conjunto de partículas cuánticas que cambian constantemente, y nunca alcanzan un estado de equilibrio. Estos sistemas se basan en la estabilidad de las interacciones al azar que normalmente puedan perturbar otros tipos de materia. “Este es un nuevo tipo de orden, que previamente se creía imposible. Eso es muy emocionante “, dice Vedika Khemani, parte del equipo de Harvard y que anteriormente formaba parte del grupo que originalmente teorizó la existencia de la nueva clase de estado. Los físicos experimentales ya están planeando la manera de explotar las características de estos sistemas extraños en los ordenadores cuánticos y sensores de imanes ultra-sensibles.

DESCANSO

Wilczek imaginó los cristales del tiempo como una forma de romper las reglas. Las leyes de la física son simétricas, puesto que se aplican por igual a todos los puntos en el espacio y el tiempo. Sin embargo, hay muchos sistemas que violan la simetría. En un imán, los giros atómicos se alinean en lugar de señalar en todas las direcciones. En un cristal mineral, los átomos ocupan posiciones establecidas en el espacio, y el cristal no se ve lo mismo si se desplaza ligeramente. Cuando una transformación hace cambiar las propiedades, a estos, es que los físicos llaman ruptura de la simetría, y existen por todas partes en la naturaleza, en la raíz del magnetismo, superconductividad e incluso el mecanismo de Higgs que le da todas las partículas de masa.

En 2012, Wilczek, ahora en la Universidad de Estocolmo, se preguntó por qué nunca se rompió la simetría espontáneamente en el tiempo y si sería posible crear algo en lo que hizo. Lo llamó un cristal de tiempo. Los experimentadores imaginaron una versión cuántica de esta entidad como tal vez un anillo de átomos que giran sin fin, ciclicamente y vuelven a su configuración inicial. Sus propiedades se pueden sincronizar sin fin en el tiempo, al igual que  posiciones de los átomos están correlacionados en un cristal . El sistema estaría en su estado de energía más bajo, pero su movimiento no requeriría alguna fuerza externa. Sería, en esencia, como una máquina de movimiento perpetuo, aunque no es uno que produce energía utilizable.

“Desde un primer vistazo a la idea, se podría decir que esto tiene que ser malo”, dice Yao. Casi por definición, un sistema en su estado de energía más bajo no varía en el tiempo. Si así fuera, eso significaría que tenía exceso de energía que perder, dice Yao, y la rotación no tardaría en detenerse. “Pero Frank convenció a la comunidad de que el problema era más sutil de lo que quizá parecía ser”, dice. El movimiento perpetuo no tenía precedentes en el mundo cuántico: en teoría, los superconductores conducen la electricidad para siempre (aunque el flujo es uniforme, por lo que no muestran ninguna variación en el tiempo).

Estas cuestiones conflictivas nadaban alrededor de la cabeza de Haruki Watanabe mientras salía del primer examen oral para su doctorado en Berkeley. Había estado presentando trabajos sobre ruptura de la simetría en el espacio, y su supervisor le preguntó acerca de las implicaciones más amplias de cristal del tiempo de Wilczek. “No podía responder a la pregunta en ese examen, pero me interesaba”, dice Watanabe, que dudaba de esa entidad fue aún viable. “Me preguntaba, ‘¿cómo puedo convencer a la gente que no es posible?”

Junto con el físico Masaki Oshikawa en la Universidad de Tokio, Watanabe comenzó a tratar de demostrar su respuesta intuitiva de una forma matemáticamente rigurosa. Por frasear el problema en términos de correlaciones en el espacio y el tiempo entre partes distantes del sistema, el par deriva un teorema en 2015 muestran que los cristales del tiempo eran imposibles de crear para cualquier sistema en su estado de menor energía. Los investigadores también verificaron que los cristales del tiempo eran imposibles para cualquier sistema en equilibrio a una que ha alcanzado un estado estable de cualquier energía.

Para la comunidad de la física, el caso era claro. “Eso pareció ser un no-go”, dice Monroe. Pero la prueba dejó un vacío legal. Que no descartó que los cristales del tiempo se presenten en los sistemas que aún no se han asentado en un estado estable y que están fuera de equilibrio. En todo el mundo, los teóricos comenzaron a pensar en formas de crear versiones alternativas de los cristales del tiempo.

SOPA DE PARTÍCULAS

Cuando llegó el gran avance, que llegó desde una esquina poco probable de la física, donde los investigadores no estaban pensando en los cristales del tiempo en absoluto.

Shivaji Sondhi, un físico teórico de la Universidad de Princeton, Nueva Jersey, y sus colegas estaban mirando a lo que ocurrió cuando ciertos sistemas cuánticos aislados, hechos de sopas de partículas que interactúan, se dan varias veces una patada. Los libros de texto de física dice que los sistemas deben calentarse y descender en el caos. Pero en 2015, el equipo de Sondhi predijo que bajo ciertas condiciones, tendrían lugar unirse para formar una fase de la materia que no existe en el equilibrio a un sistema de partículas que muestran correlaciones sutiles nunca antes visto, y eso sería repetir un patrón a tiempo.

Esa propuesta llamó la atención de Chetan Nayak, uno de los antiguos alumnos de Wilczek, ahora en la Universidad de California, Santa Bárbara, y en las inmediaciones de la estación de P. Nayak de Microsoft y sus colegas pronto se dieron cuenta de que esta extraña forma de materia fuera de equilibrio, también puede ser un tipo de cristal de tiempo. Pero no del tipo Wilczek: no sería en su estado más bajo de energía, y que requeriría un saque de regular a pulso. Pero ganaría un ritmo constante que no coincide con la de la instigación por patadas, y eso significa que rompería la simetría del tiempo.

“Es como jugar con una cuerda para saltar, y de alguna manera nuestro brazo girara alrededor de dos veces, pero la cuerda sólo se da la vuelta una vez,” dice Yao. Este es un tipo más débil de la ruptura de la simetría que Wilczek imagino: en la suya, la cuerda oscilaría por sí misma.

Cuando Monroe oyó hablar de este sistema propuesto, que al principio no lo entendía. “Cuanto más leía sobre él, más intrigado quedé”, dice.

El año pasado, se dedicó a tratar de formar sus átomos en un cristal de tiempo. La receta era increíblemente compleja, pero sólo tres ingredientes eran esenciales: una fuerza molestar repetidamente las partículas, una manera de hacer que los átomos interactuen entre sí y con un elemento de desorden aleatorio. La combinación de estos, dice Monroe, asegura que las partículas están limitados en la cantidad de energía que puede absorber, lo que les permite mantener un estado estable, ordenada.

En su experimento, esto significaba disparar repetidamente láser alternadamente en una cadena de diez iones de iterbio: el primer láser voltea sus giros y el segundo hace que los giros interactúan entre sí de una manera al azar. Esa combinación hizo que los espines atómicos oscilen, pero al doble del tiempo que estaban siendo volteado. Más que eso, los investigadores encontraron que, incluso si comenzaron a dar la vuelta al sistema de una manera imperfecta, tal como cambiando ligeramente la frecuencia de las patadas, la oscilación sigue siendo el mismo. “El sistema sigue bloqueado a una frecuencia muy estable”, dice Monroe. Los cristales espaciales son igualmente resistentes a cualquier intento de empujar a sus átomos de su separación conjunta, dice. “Este cristal de tiempo tiene de lo mismo.”

En Harvard,  el físico Mikhail Lukin intentó hacer algo similar, pero en un sistema de un trozo 3D muy diferente de diamante. El mineral estaba plagado de alrededor de 1 millón de defectos, que alberga cada uno, una vuelta. Y las impurezas del diamante proporcionan un desorden natural. Cuando Lukin y su equipo utilizaron pulsos de microondas para voltear los giros, vieron que el sistema respondía a una fracción de la frecuencia con la que estaba siendo perturbado.

Los físicos están de acuerdo en que los dos sistemas se rompen espontáneamente en una especie de simetría del tiempo y por lo tanto, matemáticamente cumplen los criterios de cristal tiempo. Sin embargo, existe cierto debate sobre si se debe llamarle cristales del tiempo. “Este es un desarrollo interesante, pero en cierta medida se trata de un abuso del término”, dice Oshikawa.

Yao dice que los nuevos sistemas son los cristales del tiempo, pero que la definición debe ser reducido para evitar incluir fenómenos que ya están bien comprendidos y no tan interesantes para los físicos cuánticos.

Pero creaciones Monroe y de Lukin son muy interesantes por diferentes razones, también, dice Yao. Parecen ser los primeros, y tal vez más simples, ejemplos de una serie de nuevas fases que existe en estados relativamente sin explorar fuera de equilibrio, dice. También podrían tener varias aplicaciones prácticas. Uno podría ser para sistemas de simulación cuántica que funcionan a altas temperaturas. Los físicos utilizan a menudo las partículas cuánticas entrelazadas con temperaturas en nanokelvin , cercanas al cero absoluto, para simular comportamientos complejos de materiales que no pueden no ser modelados en un ordenador clásico. los cristales del tiempo representan un sistema cuántico estable que existen muy por encima de estas temperaturas en el caso de los diamantes de Lukin, a temperatura ambiente, lo que podría abrir la puerta a las simulaciones cuánticas sin criogenia.

Los cristales del tiempo también podrían encontrar uso en sensores de super-precisa, dice Lukin. Su laboratorio ya  utiliza defectos de diamante para detectar pequeños cambios de temperatura y los campos magnéticos. Pero el enfoque tiene sus límites, ya que si demasiados defectos se embalan en un espacio pequeño, sus interacciones destruyen sus estados cuánticos frágiles. En un cristal tiempo, sin embargo, las interacciones sirven para estabilizar, en lugar de interrumpir, por lo que Lukin podría aprovechar millones de defectos en conjunto para producir una señal fuerte, uno que es capaz de la sonda de manera eficiente las células vivas y materiales átomo de espesor.

El mismo principio de la estabilidad de las interacciones podría aplicarse más ampliamente en la computación cuántica, dice Yao. Los ordenadores cuánticos muestran gran promesa, pero siempre han luchado con las dificultades opuestas de la protección de los bits cuánticos frágiles que realizan cálculos, sin embargo, mantenerlos accesibles para la codificación y lectura de información. “Uno puede preguntarse a sí mismo en el futuro si se podía encontrar fases en las interacciones estabilizan estos bits cuánticos”, dice Yao.

La historia de los cristales del tiempo es un bello ejemplo de la frecuencia con la que ocurre el progreso cuando diferentes corrientes de pensamiento se unen, dice Roderich Moessner, director del Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Dresden, Alemania. Y puede ser, dice, que esta receta en particular resulta ser sólo una de las muchas maneras de cocinar un cristal del tiempo.”

Fuente: Revista Nature