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Vie, Dic

El regreso de los «cristales de tiempo»

Ciencia y tecnología
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Un nuevo estudio avala la posibilidad de que estas misteriosas estructuras existan tal y como fueron propuestas en 2012

En el año 2012, el Nobel de Física Frank Wilczek postuló que los «cristales de tiempo», lejos de ser un simple artificio matemático, podían existir en la realidad. La cuestión dio lugar a un animado debate entre los físicos ya que, en teoría, esas extravagantes estructuras cristalinas que se repiten en el tiempo, y no en el espacio, tendrían la capacidad del movimiento perpetuo, ya que se desplazarían continuamente en una órbita circular, incluso en su estado de mínima energía, o «estado fundamental». Y que se sepa, ningún objeto que se encuentre en ese estado dispone de suficiente energía para moverse lo más mínimo.

Cuatro años más tarde, en 2016, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Santa Barbara y la Estación Q de Microsoft (Un laboratorio de investigación que el gigante tecnológico tiene junto al campus de esa misma Universidad) publicaba en Physical Review Letters la demostración de que, lejos de ser objetos meramente teóricos, los cristales de tiempo podían existir realmente en la Naturaleza. Y apenas un año después, otros dos equipos de físicos, uno de la Universidad de Harvard y otro del Joint Quantum Institute de la Universidad de Maryland conseguían, por primera vez y de forma independiente, crear cristales de tiempo en sus laboratorios y confirmar así experimentalmente la existencia de esas extraordinarias estructuras. Sus logros se publicaron en Nature.

¿Qué es un cristal de tiempo?

Los cristales convencionales, como la sal, el cuarzo, los copos de nieve o los diamantes, tienen sus átomos ordenados en patrones muy estables y que se repiten una y otra vez en las tres dimensiones espaciales. En los cristales de tiempo, sin embargo, los átomos también se mueven siguiendo un patrón que se repite, aunque lo hace en el tiempo, y no en el espacio.

Seguir un patrón temporal (en vez de espacial) implica que los átomos de un cristal de tiempo nunca se acomodan en su estado fundamental, cosa que sí hacen los átomos de los cristales convencionales. Por lo general, cuando un material está en su estado fundamental (estado de mínima energía, también conocido como energía de punto cero de un sistema) su movimiento es imposible, porque eso requeriría un gasto de energía de la que ese sistema ya no dispone.

Por eso, los cristales «normales», como un rubí o un diamante, permanecen inmóviles, ya que están en equilibrio y en su estado fundamental. Pero los cristales de tiempo tienen, repetimos, una estructura que no se repite en el espacio, sino en el tiempo, y por lo tanto siguen oscilando incluso en su estado fundamental. Es decir, nunca alcanzan el equilibrio. Lo más perturbador es que esa oscilación cíclica y repetida tiene lugar una y otra vez sin necesidad de utilizar energía alguna. Ante este panorama, los físicos se sienten como exploradores que entraran por primera vez en un continente totalmente desconocido.

Precisamente por eso, y a pesar de los avances, otros investigadores logrron demostrar un teorema según el que los cristales de tiempo, tal y como habían sido presentados, eran imposibles. Y reemplazaron su definición con otra mucho menos atrevida, según la cual, después de todo, un cristal de tiempo no violaba ninguna simetría fundamental de la naturaleza. Durante el último año, por lo tanto, la cuestión quedó en tablas.

Vuelta a los orígenes

Pero ahora, Valerii Kozin Oleksandr Kyriienko, dos físicos teóricos de las universidades de Islandia en Reikiavik y Exeter, en Inglaterra, le acaban de dar nuevamente la vuelta a la tortilla y han vuelto a demostrar que la noción original de cristal de tiempo es la más válida. Su trabajo se acaba de publicar en Physical Review Letters.

En física, los patrones pueden surgir aparentemente de la nada. Por ejemplo, en un sólido cristalino, las fuerzas entre los átomos no especifican explícitamente qué posiciones deben ocupar esos átomos, ni tampoco las distancias que debe haber entre ellos. Sin embargo, basta con enfriar los átomos a su estado fundamental para comprobar cómo se disponen en un patrón repetitivo, como los cuadrados en un tablero de ajedrez.

En 2012, Wilczek se preguntó si un sistema podría tener un estado fundamental análogo que se repitiera de forma similar, pero en el tiempo en lugar de en el espacio. Sus dos artículos sobre el tema desencadenaron una auténtica polvareda entre los físicos de todo el mundo. En 2015, en efecto, los físicos teóricos Haruki Watanabe Masaki Oshikawa, ambos ahora en la Universidad de Tokio, demostraron que, estrictamente hablando, los cristales de tiempo eran imposibles, ya que el estado de energía más bajo de un sistema aislado tenía que ser estático.

Creando un cristal

Dos años más tarde, como se ha dicho, Christopher Monroe, de la Universidad de Maryland, consiguió producir en su laboratorio un cristal de tiempo «discreto» con 10 iones de rubidio en rotación dispuestos en una cadena. Pero ahora, Kozin y Kyriienko han dado otro paso al demostrar que, por lo menos en teoría, es perfectamente posible construir un sistema de cristales de tiempo mucho más cercano a la idea original de Wiczek. Para ello, han descartado una de las premisas del teorema de Watanabe y Ishikawa, basado en el supuesto de que la fuerza de las interacciones entre partículas muere con la distancia, como sucede con las fuerzas eléctricas y magnéticas.

Y con tales interacciones de largo alcance, resulta que, en teoría, un sistema puede perfectamente mantener un estado fundamental de cristal de tiempo que no necesita energía adicional. «Lo que mostramos -explica Kyriienko- es una escapatoria al teorema».

La duda, ahora, es si será posible demostrar experimentalmente el sistema propuesto por los investigadores. Kyriienko, por su parte, tiene esperanzas de que sí: «Debería ser posible llevar a cabo esa medición, aunque resulta desafiante». Otros no son tan optimistas, aunque dejan abierta una posibilidad: «Podría producirse una sorpresa -dice por ejemplo Monroe-. Eso es lo mejor que tiene la ciencia».