Físicos crean el primer cristal del tiempo del mundo

Los cristales son objetos extraordinarios, sobre todo por su simetría. Los cristales forman patrones repetitivos que son iguales en algunas direcciones pero no en todas las direcciones. Eso es algo sorprendente dado que las leyes de la física, que gobiernan su formación, son las mismas en todas las direcciones.

Que las leyes de la física sean espacialmente simétricas pero los cristales no lo sean es un fenómeno conocido como ruptura de simetría. No se produce añadiendo energía a un sistema, sino quitándola. De hecho, los cristales son una manifestación de sistemas en sus estados de energía más bajos.

Pero las leyes de la física no solo son simétricas en el espacio sino también en el tiempo. Y eso plantea la interesante pregunta de si es posible romper la simetría temporal de la misma manera. En otras palabras, ¿es posible crear cristales de tiempo?

Hoy recibimos una respuesta gracias al trabajo de Chris Monroe en la Universidad de Maryland en College Park y algunos amigos, quienes crearon un cristal de tiempo en su laboratorio por primera vez.

El proceso básico para hacer cristales de tiempo es sencillo. La idea es crear un sistema cuántico, como un grupo de iones dispuestos en un anillo, y enfriarlos hasta que estén en su estado de energía más bajo. En estas circunstancias, las leyes de la física sugerirían que el anillo debería estar perfectamente estacionario.

Pero si se rompiera la simetría temporal, entonces el anillo podría variar periódicamente en el tiempo. En otras palabras, rotaría. Por supuesto, nunca sería posible extraer energía de este movimiento, eso violaría la conservación de la energía. Pero la ruptura de la simetría temporal se manifestaría en este movimiento repetitivo en el tiempo, al igual que la ruptura de la simetría espacial se manifiesta como patrones repetitivos en el espacio.

Esa es la teoría, pero en el mundo real, las cosas no son tan simples. El principal problema es que el mundo cuántico no se rige por variables dependientes del tiempo, por lo que la simetría temporal no se puede romper en esta escala. Entonces, en circunstancias ordinarias, enfriar un anillo de iones a su estado de energía más bajo los dejaría estacionarios.

Pero hay circunstancias en las que los sistemas cuánticos evolucionan con el tiempo. Munro y compañía se han centrado en estos: sistemas cuánticos que no están en equilibrio. Su sistema cuántico es una línea de iones de iterbio con espines que interactúan entre sí.

Esa interacción conduce a un tipo especial de comportamiento. Una de las características extrañas de las partículas cuánticas es que no suelen existir en lugares específicos. En cambio, están esparcidos en el espacio y las posibilidades de que aparezcan en cualquier lugar se rigen por las leyes de la probabilidad.

Pero en algunas circunstancias esto puede cambiar. Por ejemplo, un solo electrón dentro de un material puede interferir consigo mismo de una manera que lo obligue a aparecer en una sola ubicación. Esto se conoce como localización de Anderson, en honor al físico que lo predijo en la década de 1950.

Más recientemente, los físicos han investigado grupos de partículas cuánticas que interactúan entre sí de una manera que hace que todas se localicen. Esta llamada localización de muchos cuerpos es un estado delicado que mantiene las partículas cuánticas en un estado fuera de equilibrio. En otras palabras, los obliga a estar localizados. Y así es exactamente como se comporta esta cadena de iones de iterbio.

Una de las propiedades clave de estos iones es su magnetización o giro, que se puede girar hacia arriba o hacia abajo con un láser. Voltear el espín de un ion hace que el siguiente lo haga, y así sucesivamente. Estas interacciones de espín luego oscilan a una velocidad que depende de la regularidad con la que el láser cambia el espín original. En otras palabras, la frecuencia de conducción determina la tasa de oscilación.

Pero cuando Monroe y compañía midieron esto, encontraron otro efecto. Estos muchachos descubrieron que después de permitir que el sistema evolucionara, las interacciones ocurrieron a un ritmo que era el doble del período original. Dado que no hay una fuerza impulsora con ese período, la única explicación es que la simetría del tiempo debe haberse roto, lo que permitió estos períodos más largos. En otras palabras, Monroe y compañía habían creado un cristal del tiempo.

El equipo pasó a medir algunas de las propiedades de estos cristales. Descubrieron, por ejemplo, que cambiar la frecuencia de activación no cambiaba la frecuencia del cristal de tiempo. Esto representa la 'rigidez' del cristal de tiempo discreto, dicen.

Y descubrieron que otras perturbaciones podrían eventualmente destruir el cristal del tiempo. Cuando las perturbaciones son demasiado grandes, el cristal se 'derrite', dicen Monroe y compañía.

Es un trabajo interesante, aunque esotérico. Muestra que los cristales de tiempo realmente pueden existir, como predijeron en 2012 el físico ganador del premio Nobel Frank Wilczek en el MIT y Al Shapere en la Universidad de Kentucky.

En cuanto a las aplicaciones, Monroe y compañía hacen un par de sugerencias. Dicen, por ejemplo, que los cristales de tiempo podrían usarse para tareas de información cuántica, como implementar una memoria cuántica robusta.

Pero la naturaleza exótica de la localización de muchos cuerpos y el hecho de que aún no se comprende bien puede significar que otros físicos querrán verificar la naturaleza de este efecto cuidadosamente antes de confirmar que realmente muestra la existencia de cristales de tiempo.

Así que hay más trabajo emocionante por hacer.

Ref: http://arxiv.org/abs/1609.08684 : Observación de un Cristal de Tiempo Discreto

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