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Nature 543, 164�166 del Sitio Web�Nature
traducci�n de
Adela Kaufmann � � � �
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llamadas 'cristales de tiempo' estaban supuestas a ser f�sicamente imposible. Ahora no lo son...
� �l las organiza en anillos y cadenas y luego las masajea con l�ser para explorar sus propiedades y convertirlas en ordenadores cu�nticos b�sicos. � El a�o pasado, decidi� probar algo que parec�a imposible:
El nombre suena como un puntal del�doctor Who, pero tiene sus ra�ces en la f�sica real. � Los cristales de tiempo son estructuras hipot�ticas que pulsan sin requerir ninguna energ�a�- como un reloj que nunca necesita bobinado.�El patr�n se repite en el tiempo de la misma manera en la que los �tomos de un repetidor de cristal en el espacio. � La idea era tan dif�cil que cuando el ganador del premio Nobel, el f�sico�Frank Wilczek�propuso�el provocativo concepto 1�en 2012, otros investigadores demostraron r�pidamente que no hab�a manera de crear cristales de tiempo. � Pero hab�a un vac�o - y los investigadores en una rama separada de la f�sica se encontraron una manera de explotar la brecha. � Monroe, un f�sico de la Universidad de Maryland en College Park, y su equipo utilizaron cadenas de �tomos que hab�an construido para otros fines, para hacer una versi�n de un cristal de tiempo.�2
Y un grupo dirigido por investigadores de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, independientemente formaron cristales de tiempo de diamantes "sucios".�3 � Ambas versiones, que se publican esta semana en�la naturaleza, se�consideran los cristales de tiempo, pero no c�mo Wilczek imaginaron originalmente.
�stos son tambi�n los primeros ejemplos de un extraordinario tipo de materia - una colecci�n de part�culas cu�nticas que cambia constantemente, y nunca alcanza un estado de equilibrio. � Estos sistemas extraen estabilidad de las interacciones al azar que normalmente perturbar�a otros tipos de materia.
Los f�sicos experimentales ya est�n planeando la manera de explotar las caracter�sticas de estos extra�os sistemas en los ordenadores cu�nticos y sensores de imanes ultra-sensibles. � �
� ���Descanso� Wilczek invent� los cristales de tiempo como una forma de romper las reglas. � Las leyes de la f�sica son sim�tricas, puesto que se aplican por igual a todos los puntos en el espacio y el tiempo.�Sin embargo, muchos sistemas violan la simetr�a.�En un im�n, los giros at�micos se alinean en lugar de se�alar en todas las direcciones. � En un cristal mineral, los �tomos ocupan posiciones establecidas en el espacio, y el cristal no se ve lo mismo si es ligeramente desplazado. � Cuando una transformaci�n hace que las propiedades cambien, los f�sicos lo llaman ruptura de la simetr�a, y est� por todas partes en la naturaleza - en la ra�z del magnetismo, la superconductividad e incluso el mecanismo de Higgs que le da masa a todas las part�culas. � En 2012, Wilczek, ahora en la Universidad de Estocolmo, se pregunt� por qu� nunca se rompi� espont�neamente la simetr�a en el tiempo y si ser�a posible crear algo en lo que s� lo hac�a. � �l lo llam� un cristal de tiempo... � Los Experimentalistas imaginaron un versi�n cu�ntica de la entidad como tal vez un anillo de �tomos girando sin fin, haciendo ciclos y volviendo a su configuraci�n inicial. � Sus propiedades ser�an infinitamente sincronizadas en el tiempo, al igual que las�posiciones de los �tomos est�n correlacionadas en un cristal.�El sistema estar�a en su estado de energ�a m�s bajo, pero su movimiento no requerir�a ninguna fuerza externa. � Ser�a, en esencia, una m�quina de movimiento perpetuo, aunque no es una que produce energ�a utilizable.
Casi por definici�n, un sistema en su estado de energ�a m�s bajo no var�a en el tiempo. � Si as� fuera, eso significar�a que tiene exceso de energ�a que perder, dice�Norman Yao, y la rotaci�n no tardar�a en detenerse.
El movimiento perpetuo tiene precedentes en el mundo cu�ntico: en teor�a, los superconductores conducen la electricidad para siempre (aunque el flujo es uniforme, por lo que no muestran ninguna variaci�n en el tiempo). � Estas conflictivas preguntas nadaban alrededor de la cabeza de�Haruki Watanabe�mientras sal�a del primer examen oral para su doctorado en Berkeley. � Hab�a estado presentando trabajos sobre ruptura de la simetr�a en el espacio, y su supervisor le pregunt� acerca de las implicaciones m�s amplias del cristal del tiempo de Wilczek.
Junto con el f�sico�Masaki Oshikawa�en la Universidad de Tokio, Watanabe comenz� a tratar de demostrar su respuesta intuitiva de una forma matem�ticamente rigurosa. � Por frasear el problema en t�rminos de correlaciones en el espacio y el tiempo entre partes distantes del sistema, el par deriva en 2015 un teorema que muestra que los cristales de tiempo eran imposibles de crear para cualquier sistema en su estado m�s bajo energ�a.�4 � Los investigadores tambi�n verificaron que los cristales de tiempo eran imposibles en cualquier sistema en equilibrio - uno que ha alcanzado un estado estable de energ�a. � Para la comunidad de la f�sica, el caso era claro.
Pero la prueba dej� un vac�o legal. � No descartaba que los cristales de tiempo ens sistemas que a�n no se han asentado en un estado estable y que est�n fuera de equilibrio.�En todo el mundo, los te�ricos comenzaron a pensar en formas de crear versiones alternativas de los cristales de tiempo. � � � � Sopa de Part�culas� Cuando lleg� el gran avance, lleg� desde una esquina poco probable de la f�sica, donde los investigadores no estaban pensando en los cristales de tiempo en absoluto. � Shivaji Sondhi, un f�sico te�rico de la Universidad de Princeton, Nueva Jersey, y sus colegas estaban mirando a lo que ocurri� cuando ciertos sistemas cu�nticos aislados, hechos de sopas de part�culas que interactuando, se les da varios empujoncitos. � El libro de texto de f�sica dice que los sistemas deben calentarse y descender al caos. � Pero en 2015, el equipo de Sondhi predijo que bajo ciertas condiciones, en su lugar se unir�an para formar una fase de la materia que no existe en equilibrio - un sistema de part�culas que muestran correlaciones sutiles nunca antes vistas - y que podr�an repetir un patr�n en el tiempo.�5 � Esa propuesta llam� la atenci�n de�Chetan Nayak, uno de los antiguos alumnos de Wilczek, ahora en la Universidad de California, Santa B�rbara, y en las inmediaciones de la estaci�n Q de Microsoft. Nayak y sus colegas pronto se dieron cuenta de que esta extra�a forma de materia fuera de equilibrio tambi�n podr�a ser un tipo de cristal tiempo.�6 � Pero no del tipo de Wilczek: no estar�a en su estado m�s bajo de energ�a, y requerir�a regularmente un empuj�n para pulsar. � Pero ganar�a un ritmo constante que no coincide con la del empuj�n regular para instigarla, y eso significa que romper�a la simetr�a del tiempo.
Este es un tipo m�s d�bil de ruptura de la simetr�a que Wilczek imagin�: en la suya, la cuerda oscilar�a por s� misma. � Cuando Monroe oy� hablar de este sistema propuesto, �l al principio no lo entend�a.
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La iluminaci�n con luz verde revela un cristal de tiempo formado en una red de giros de electrones (rojo) dentro de los defectos de un diamante. � � El a�o pasado, �l se dedic� a tratar de formar sus �tomos en un cristal de tiempo. � La receta era incre�blemente compleja, pero s�lo tres ingredientes eran esenciales:
La combinaci�n de estos, dice Monroe, asegura que las part�culas est�n limitadas en la cantidad de energ�a que pueden absorber, lo que les permite mantener un estado estable, ordenado. � En su experimento, esto significaba disparar repetidamente l�ser alternos en una cadena de diez iones de iterbio: el primer l�ser voltea sus giros y el segundo hace que los giros interact�en entre s� de una manera al azar. � Esa combinaci�n hace que los giros at�micos oscilen, pero al doble del tiempo en el que estaban siendo volteados. � M�s 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 oscilaci�n sigue siendo el mismo.
Los cristales espaciales son igualmente resistentes a cualquier intento de empujar a sus �tomos de espaciarse, dice.
En Harvard, el f�sico�Mikhail Lukin�intent� hacer algo similar, pero en un sistema muy diferente - un pedazo 3D de diamante. � El mineral estaba plagado de alrededor de 1 mill�n de defectos, cada uno albergando cada un giro.�Y las impurezas del diamante proporcionaron un desorden natural. � Cuando Lukin y su equipo utilizaron pulsos de microondas para voltear los giros, vieron que el sistema respondi� a una fracci�n de la frecuencia con la que estaba siendo perturbado. � Los f�sicos convienen que los dos sistemas espont�neamente rompen una especie de simetr�a de tiempo y por lo tanto matem�ticamente realizan los criterios de cristal de tiempo. � Sin embargo, existe cierto debate sobre si se debe llamarle cristales de tiempo.
Yao dice que los nuevos sistemas son cristales de tiempo, pero que la definici�n debe ser reducida para evitar incluir fen�menos que ya est�n bien comprendidos y no son tan interesantes para los f�sicos cu�nticos. � Pero las creaciones de Monroe y de Lukin son muy interesantes por diferentes razones, tambi�n, dice Yao. � Parecen ser los primeros, y tal vez m�s simples ejemplos de una serie de nuevas fases que existen en estados fuera de equilibrio relativamente sin explorar, dice.�Tambi�n podr�an tener varias aplicaciones pr�cticas. � Uno podr�a ser sistemas de simulaci�n cu�ntica que funcionan a altas temperaturas. � Los f�sicos utilizan a menudo las part�culas cu�nticas entrelazadas a temperaturas nanokelvin, cercanas al cero absoluto, para simular los complejos comportamientos de materiales que no pueden no ser modelados en un ordenador cl�sico. � Los cristales de tiempo representan un sistema cu�ntico estable que existe muy por encima de estas temperaturas - en el caso del diamante de Lukin, a temperatura ambiente - lo que podr�a abrir la puerta a las simulaciones cu�nticas sin criogenia. � Los cristales de tiempo tambi�n podr�an encontrar uso en sensores de super-precisi�n, dice Lukin.�Su laboratorio ya�utiliza defectos de diamante�para detectar peque�os cambios de temperatura y campos magn�ticos. � Pero el enfoque tiene sus l�mites, ya que si demasiados defectos se embalan en un espacio peque�o, sus interacciones destruyen sus fr�giles estados cu�nticos. � En un cristal de tiempo, sin embargo, las interacciones sirven para estabilizar, en lugar de interrumpir, por lo que Lukin pudo aprovechar millones de defectos en conjunto para producir una se�al fuerte - una capaz de sondear de manera eficiente las c�lulas vivas y materiales del espesor del �tomo. � El mismo principio de la estabilidad de las interacciones podr�a aplicarse m�s ampliamente en la computaci�n cu�ntica, dice Yao. � Los ordenadores cu�nticos�muestran gran promesa, pero siempre han luchado con las dificultades opuestas de la protecci�n de los fr�giles bits cu�nticos que realizan c�lculos, y mantenerlos accesibles para la codificaci�n y lectura de informaci�n.
La historia de los cristales de 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�F�sica de Sistemas Complejos�en Dresden, Alemania. � Y puede ser, dice, que esta receta en particular resulte ser s�lo una de las muchas maneras de cocinar un cristal del tiempo. � � � � Referencias
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