Los cristales de tiempo son apasionantes. Los físicos teóricos coquetean con ellos desde que el estadounidense Frank Wilczek, galardonado con el Nobel de Física, propuso su formulación en 2012. En aquel momento la comunidad científica recogió la idea con mucho escepticismo, pero poco a poco la propuesta de Wilczek ha ido calando hondo y sumando adeptos. Tantos, de hecho, que actualmente son muchos los grupos de investigación que están volcados en esta exótica disciplina.
Ya hemos hablado de ellos en varias ocasiones, pero antes de seguir adelante es necesario que repasemos qué son los cristales de tiempo, para qué sirven y qué desarrollo han experimentado durante la última década. Al igual que en cualquier otro cristal, los átomos de estas estructuras se distribuyen de una manera homogénea y ordenada, dando forma a un patrón que se repite periódicamente.
Sin embargo, hay una diferencia fundamental entre los cristales ordinarios y los cristales de Wilczek: en los primeros el patrón se repite en el espacio, mientras que en los segundos lo hace, y esto es lo sorprendente, en el tiempo. Es difícil imaginar un objeto con esta propiedad, pero hay algo aún más extraño que no podemos pasar por alto: para fabricar un cristal como los que propone este físico es necesario encontrar la forma de romper de forma espontánea la simetría temporal.
Los cristales de tiempo son posibles. De hecho, los primeros ya están listos
Un objeto estable y aislado de cualquier perturbación permanece inalterado a lo largo del tiempo, de ahí que preserve la simetría de traslación temporal. Sin embargo, un cristal de tiempo debería ser capaz simultáneamente de preservar su estabilidad y cambiar su estructura cristalina de forma periódica. Esta idea tiene una implicación que resulta fácil intuir: si observamos el cristal de tiempo en distintos instantes deberíamos percibir que su estructura no es siempre la misma.
Debería variar periódicamente, un comportamiento que inevitablemente nos lleva a identificarlo como un nuevo estado de la materia diferente a las fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática. En determinadas condiciones también son posibles otros estados de la materia mucho más inusuales, como el Condensado de Bose-Einstein, pero en mayor o menor medida todos estamos familiarizados con estas cuatro fases.
Los cristales de tiempo cambian su estructura con cierta periodicidad y recuperan su configuración inicial en intervalos regulares
A pesar del recelo inicial de la comunidad científica, algunos investigadores reflexionaron acerca de lo que proponía Wilczek y se dieron cuenta de que en determinadas condiciones muy improbables, pero posibles, algunos objetos teóricamente podían exhibir el comportamiento de un cristal de tiempo. Deberían ser capaces de cambiar su estructura con cierta periodicidad y recuperar su configuración inicial en intervalos regulares.
No cabe duda de que esta idea es muy exótica, pero tiene una implicación aún más extraña: esto solo es posible si esta transición de fase constante y eterna no requiere invertir energía. De alguna forma estaríamos ante un ideal imposible: una forma de máquina de movimiento perpetuo que se beneficia del principio de conservación de la energía, pero que viola claramente el segundo principio de la termodinámica.
Esta ley fundamental establece que la entropía de un sistema termodinámico aislado siempre se incrementa con el transcurso del tiempo hasta alcanzar un estado de equilibrio termodinámico en el que es máxima. Esta definición formal es poco intuitiva, en gran medida debido a que la palabra entropía aparece dos veces en ella. Explicar de forma rigurosa qué es la entropía complicaría aún más el artículo, pero podemos intuir este concepto de una manera sencilla siempre que, eso sí, aceptemos sacrificar un poco de rigor.
La entropía suele formularse como el grado de desorden presente de forma natural en un sistema físico. Esta descripción conlleva una simplificación excesiva, pero nos invita a explorar una consecuencia esencial del segundo principio de la termodinámica: la imposibilidad de revertir un fenómeno físico. Además, lo que propone Wilczek también parece atentar contra el primer principio de la termodinámica, o principio de conservación de la energía, que establece de forma fundamental que la energía ni se crea ni se destruye; se transforma.
Ya sabemos con cierta precisión qué es un cristal de tiempo, por lo que estamos preparados para recibir con los brazos abiertos una grata sorpresa: el grupo de investigación de la Universidad de Lancaster, en Reino Unido, liderado por el físico Samuli Autti consiguió poner a punto el primero a mediados de 2022. En el artículo que este grupo de investigación ha publicado en Nature Communications explica que sus cristales de tiempo están constituidos por magnones. Y lo curioso es que estos elementos no son partículas; son cuasipartículas de espín 1 capaces de transportar energía y momento en un cristal.
Podemos entender un magnón como el resultado de la excitación simultánea del espín de un conjunto de electrones
Esta definición es complicada, pero podemos formarnos una idea aproximada acerca de qué es un magnón si lo identificamos como el resultado de la excitación simultánea del espín de un conjunto de electrones. Esta explicación de Francis Villatoro nos ayuda a afianzar un poco mejor esta idea: «Podemos decir que un magnón es el equivalente cuántico a una onda de espines, igual que un fonón es el equivalente cuántico a una onda elástica en un sólido».
La estrategia que estos físicos han ideado para recrear los magnones consiste en enfriar helio-3, que es un isótopo estable del helio, hasta conseguir que adquiera una temperatura muy cercana al cero absoluto (-273,15 grados Celsius). En estas condiciones el helio-3 adquiere las propiedades de un superfluido y propicia la aparición espontánea de los cristales de tiempo, de modo que cada uno de ellos está constituido por un billón de magnones. Y se trata de un billón de los nuestros, no de los anglosajones.
En su artículo Autti y sus colegas de investigación aseguran que los cristales de tiempo que han recreado exhiben las mismas propiedades formuladas teóricamente por Frank Wilczek, por lo que no cabe duda de que estamos ante un hito muy importante. Y es relevante debido al alcance que en teoría tienen sus posibles aplicaciones. Los investigadores que trabajan en el diseño de cristales de tiempo confían en poder utilizarlos para medir el tiempo y la distancia con una precisión extrema.
Los científicos creen que la puesta a punto de bits cuánticos empleando cristales de tiempo los dotará de una mayor coherencia
De ser así probablemente podrían ser empleados para poner a punto GPS más precisos, equipos de telecomunicaciones más avanzados o sistemas de criptografía más robustos. Pero esto no es todo. Además, el equipo de investigadores liderado por Autti defiende que los cristales de tiempo pueden ayudarnos a procesar información cuántica debido a que es posible utilizarlos para fabricar cúbits de más calidad.
Estos científicos prevén que la puesta a punto de bits cuánticos empleando cristales de tiempo los dotará de una mayor coherencia, entendiendo esta propiedad como su capacidad de prolongar en el tiempo el estado en el que el hardware cuántico preserva las características que le permiten aventajar a los ordenadores clásicos durante la ejecución de algunos algoritmos.
Y es que cuando aparece la decoherencia cuántica desaparecen los efectos cuánticos, y con ellos se esfuman también las ventajas que acarrean en el contexto de la computación cuántica. Además, estos investigadores aseguran que los cristales de tiempo se pueden crear y manipular a temperatura ambiental, por lo que, en teoría, podrían permitir la puesta a punto de cúbits que, a diferencia de los superconductores, no tendrían que ser enfriados hasta que alcancen una temperatura cercana al cero absoluto.
El principio de funcionamiento de los ordenadores cuánticos los posiciona como una herramienta muy atractiva para simular y recrear cristales de tiempo. Los investigadores en computación cuántica buscan aplicaciones para estos equipos, y esta es una de las más prometedoras.
Lo último en cristales de tiempo: los metamateriales fotónicos
La contribución más reciente en el ámbito de los cristales de tiempo la ha realizado un equipo de investigadores de la Universidad de Southampton, en Reino Unido, liderado por el físico Nikolay I. Zheludev. En el artículo que han publicado en Nature Physics para dar a conocer su trabajo estos científicos explican que han conseguido poner a punto un cristal de tiempo continuo utilizando un metamaterial fotónico.
Cuando interaccionan con la luz las moléculas de este metamaterial se reorganizan y desencadenan una transición de fase espontánea
Por el momento no hay una definición unánimemente aceptada acerca de qué es un metamaterial, pero podemos observarlo como una estructura artificial con unas propiedades electromagnéticas inusuales que no tienen por qué estar alineadas con las que tienen los elementos que lo conforman por separado. Lo interesante del material que han ideado estos investigadores es que la interacción con una luz que es capaz de resonar con sus moléculas desencadena una transición de fase espontánea.
En la práctica esto significa que cuando la luz incide sobre él sus moléculas interaccionan entre ellas y provocan que el material cambie de estado y comience a oscilar de forma continua. Este comportamiento encaja como un guante con las propiedades que tienen los cristales de tiempo formulados por Frank Wilczek, por lo que no cabe duda de que el hallazgo de Zheludev y sus colegas es muy prometedor. Como reza el titular de este artículo, los cristales de tiempo ya están aquí. Y van a quedarse.
Imágenes: IBM
Más información: Nature Communications | Nature Physics
En Xataka: Cómo en física cuántica están logrando lo que parecía imposible: la reversión temporal del estado de una partícula
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La noticia Los cristales de tiempo son los objetos más asombrosos que nos propone la física. Ya están aquí y van a quedarse fue publicada originalmente en Xataka por Juan Carlos López .
