¡ATENCIÓN AQUÍ! Físicos revelan nueva forma de materia, cristales de tiempo.

Los cristales normales, como el diamante, son un enrejado atómico que se repite en el espacio, pero los físicos sugirieron recientemente la fabricación de materiales que se repiten en el tiempo. El año pasado, Norman Yao de UC Berkeley bosquejó  las fases que rodea un cristal de tiempo y lo que debe medir para confirmar que este nuevo material es realmente una fase estable de la materia. Esto estimuló a dos equipos para construir un cristal del tiempo, los primeros ejemplos de una forma de no equilibrio de la materia.

 

Siguiendo un modelo creado por el físico de UC Berkeley Norman Yao, los físicos de la Universidad de Maryland hicieron el cristal por primera vez usando una cadena unidimensional de iones de iterbio. Cada ion se comporta como un spin de electrones y exhibe interacciones de largo alcance indicadas por las flechas. Crédito: Chris Monroe, Universidad de Maryland

 

Para la mayoría de la gente, cristales significan diamante bling, gemas semipreciosas o tal vez la amatista irregular o cristales de cuarzo queridos por los coleccionistas.

A Norman Yao, estos cristales inertes son la punta del iceberg.

Si los cristales tienen una estructura atómica que se repite en el espacio, como el enrejado de carbono de un diamante, ¿por qué los cristales no pueden tener también una estructura que se repite en el tiempo? ¿Es decir, un cristal de tiempo?

En un artículo publicado en línea la semana pasada en la revista Physical Review Letters, la Universidad de California, Berkeley, el  profesor de física describe exactamente cómo hacer y medir las propiedades de un cristal de estos e incluso predice lo que deberían ser las distintas fases que rodea el cristal del tiempo, similar a las fases líquida y gaseosa del hielo.

Esto no es mera especulación. Dos grupos siguieron el modelo de Yao y ya han creado los primeros  cristales de tiempo. Los grupos en la Universidad de Maryland y la Universidad de Harvard informan de sus éxitos, con dos configuraciones totalmente diferentes, en documentos publicados en línea el año pasado y han presentado los resultados para su publicación. Yao es un coautor en ambos papeles.

Los cristales de tiempo se repiten en el tiempo porque son pateados periódicamente, algo así como golpear a Jell-o varias veces para conseguir que se agiten, dijo Yao. El gran avance, argumenta, es  que estos cristales particulares repiten en el tiempo de que ellos son los primeros de una clase grande de los nuevos materiales que están intrínsecamente fuera de equilibrio, no puede establecerse el equilibrio inmóvil de, por ejemplo, un diamante o un rubí.

"Se trata de una nueva fase de la materia, período, pero también es genial porque es uno de los primeros ejemplos de la materia de no equilibrio," dijo Yao. "Durante el último medio siglo, hemos estado explorando la cuestión de equilibrio, como los metales y los aisladores. Estamos ahora empezando a explorar un nuevo paisaje de material que no está en equilibrio."

 

Este diagrama de fase muestra cómo el cambio de los parámetros experimentales puede "fundir" un cristal de tiempo en un aislante normal o calentar un cristal de tiempo a un estado térmico de alta temperatura. Crédito: Norman Yao, UC Berkeley

 

Mientras que para Yao es difícil imaginar un uso para un cristal del tiempo, otras fases propuestas de materia no en equilibrio teóricamente mantienen la  promesa como recuerdos casi perfectos y pueden ser útiles en ordenadores cuánticos.

El  cristal de tiempo creado por Chris Monroe y sus colegas en la Universidad de Maryland emplea una línea  conga de 10 iones de iterbium cuyos electrones interactúan, similar a los sistemas  qubit probados como ordenadores cuánticos. Para mantener los iones fuera de equilibrio, los investigadores alternativamente golpearon con un láser para crear un efectivo campo magnético y una segunda vez para voltear parcialmente los espines de los átomos, repitiendo la secuencia varias veces. Porque interactuaron las vueltas, los átomos se asentaron en un patron estable y repetitivo de vueltas que definen un cristal.

Los cristales de tiempo  propusieron por primera vez en 2012 por el ganador del Premio Nobel Frank Wilczek y el año pasado los físicos teóricos  en la Universidad de Princeton y UC Santa Barbara's Station Q emostraron de forma independiente que tal cristal se podría hacer. Según Yao, el grupo de UC Berkeley fue "el puente entre lo teórico y la aplicación experimental."

Desde la perspectiva de la mecánica cuántica, los electrones pueden formar cristales que no corresponden a la simetría de traslación espacial subyacente de la matriz tridimensional ordenada de átomos, Yao dijo. Esto rompe la simetría del material y conduce a propiedades únicas y estables que se definen como un cristal.

Un cristal de tiempo rompe la simetría del tiempo. En este caso particular, el campo magnético y  periódicamente el laser conducen los átomos de iterbio a producir una repetición en el sistema en dos veces el período de los conductores, algo que no ocurriría en un sistema normal.

"No sería súper raro si sacudimos el Jell-o y encontramos que de alguna manera respondió en un periodo diferente?" dijo Yao. "Pero esa es la esencia del cristal del tiempo. Tiene algún controlador periódico que tiene un período ' t ', pero el sistema sincroniza de alguna manera para que usted observe que el sistema oscila con un period  más grande que ' t '. "

Yao trabajó estrechamente con Monroe, ya que su equipo de Maryland hizo el nuevo material, ayudándoles a centrarse en las propiedades importantes a medir para confirmar que el material era en realidad un cristal del tiempo estable o rígido. Yao también describió cómo el cristal del tiempo cambiaría de fase, como un cubo de hielo de fusión, bajo diferentes campos magnéticos y láser pulsante.

El equipo de Harvard, dirigido por Mikhail Lukin, configuró su cristal del tiempo usando centro de vacantes de nitrógeno densamente empaquetados en diamantes.

"Tales resultados similares obtenidos en  dos sistemas muy diferentes subrayan que los cristales de tiempo son una amplia nueva fase de la materia, no simplemente una curiosidad relegada a los sistemas  pequeñoso estrechamente específicos," escribió Phil Richerme, de la Universidad de Indiana, en un pedazo de perspectiva que acompaña el trabajo publicado en Physical Review Letters. "La observación del cristal de tiempo discreto... confirma que la rupture de simetría puede ocurrir en esencialmente todos los reinos naturales y despeja el camino a varias nuevas avenidas de investigación."

Yao continúa su trabajo en cristales de tiempo mientras explora la teoría detrás de otros materiales no equilibrados novedosos pero aún no realizados.