15 de Marzo de 2022
Física cuántica

Un cristal temporal hecho con luz láser

Los cristales temporales, un estado de la materia con patrones que se repiten en el tiempo en vez de en el espacio, podrían encontrar aplicaciones prácticas gracias a un nuevo método.

En muchos sentidos, los científicos son como los detectives, ya que resuelven misterios examinando pruebas en busca de patrones que les den una pista. Por ejemplo, cualquier cristal, ya sea un grano de sal de mesa o el diamante de un collar, no es más que un conjunto de átomos dispuestos con un patrón repetitivo. Con tan solo vislumbrar algunos de los átomos del cristal, un investigador puede conjeturar dónde debería estar el resto.

Pero ¿y si ese patrón no se extendiera a lo largo del espacio, sino del tiempo, con sus elementos relacionados por «cuándo» en vez de «dónde»? Este concepto contrario a la intuición es la base de los «cristales temporales», sistemas cuánticos que exhiben un comportamiento repetitivo y predecible similar al de los cristales. Frank Wilczek, físico y premio nóbel del Instituto de Tecnología de Massachusetts, postuló su existencia en 2012. Y tras años de arduo trabajo, los físicos experimentales lograron crear uno de manera concluyente en 2021.

Ahora, un equipo de físicos dirigidos por Hossein Taheri, ingeniero de la Universidad de California en Riverside, ha logrado un nuevo avance al crear un cristal temporal con luz. Su trabajo, publicado en Nature Communications, podría ayudar a que este tipo de sistemas dejaran de ser curiosidades experimentales y se tornaran componentes robustos de dispositivos prácticos.

Aunque el comportamiento de un cristal temporal se repite con el tiempo, no puede considerarse meramente un «reloj». En particular, los relojes requieren energía externa para seguir funcionando, mientras que el «tictac» de un cristal temporal constituye su estado más natural y estable. Representa lo opuesto a la idea del equilibrio termodinámico, donde la energía fluye a un sistema para disiparse de forma inevitable: imaginemos una olla de agua que se lleva a ebullición y luego vuelve a la temperatura ambiente.

En ese sentido, los cristales temporales serían más bien como una olla de agua que siempre hierve exactamente de la misma forma y nunca se enfría. Según algunas definiciones, representan un nuevo y único estado de la materia que se distingue por una tenaz insistencia en permanecer fuera del equilibrio. Como metrónomos innatos, los cristales temporales podrían ser de gran utilidad en la medición precisa del tiempo o el procesamiento cuántico de la información.

«Los cristales temporales han pasado de ser un concepto motivado por consideraciones puramente teóricas a algo que se está tratando de usar en aplicaciones técnicas», señala Wilczek, que no participó en el nuevo trabajo. Pero los investigadores se han visto obligados a seguir caminos largos y tortuosos para sacar los cristales temporales del laboratorio y llevarlos al ámbito de las aplicaciones del mundo real. En general, discernir si una cierta configuración constituía un cristal temporal ha requerido formidables montajes experimentales o el uso de potentes ordenadores cuánticos.

Podría decirse que el verdadero hito de los investigadores fue emplear una estrategia más simple, basada en hacer incidir dos haces idénticos de luz láser sobre una cavidad cristalina con forma de disco y de un milímetro de radio. Los haces penetraron en la cavidad, rebotaron repetidamente en sus bordes y chocaron entre ellos. La clave es que los investigadores eligieron un cierto diseño para la cavidad y controlaron con precisión las propiedades de los láseres a fin de que la luz reflejada produjera patrones extraños que nunca podrían surgir, por ejemplo, en la luz emitida por una bombilla común.

En el interior de la cavidad, la luz láser se convirtió en un desfile de «trozos», cada uno de ellos más parecido a una única cresta que nunca pierde su forma que a una onda extensa en la superficie perturbada de un lago. Estas «ondas solitarias», o solitones, surgieron y formaron ese desfile con una periodicidad predecible, marchando perfectamente al compás, y creando así un cristal temporal. Los autores detectaron esta «cristalización» al estudiar con detalle la luz que salía de la cavidad.

Si una persona diminuta se situara junto a la salida de la cavidad con un detector de luz, explica Taheri, al principio registraría variaciones periódicas en la intensidad de la luz saliente, vinculadas a las propiedades de los láseres. Pero con el tiempo emergería de manera espontánea un patrón en la intensidad de la luz, con una periodicidad claramente distinta y establecida por los solitones que desfilan a través de la cavidad. Eso sería semejante a estar viendo una película en la televisión y que de repente comience a reproducirse en modo de avance rápido, a una velocidad determinada por algún mecanismo oculto tras la pantalla y no por ningún ajuste que podamos controlar nosotros.

«Entonces vemos algunas características de la onda [luminosa] que son periódicas, pero su período es dos o tres veces o algún otro múltiplo entero del que le confirieron [a la luz] los láseres», explica Taheri. Este aumento reveló la existencia de un sistema cuántico que mantenía de forma natural su propio tiempo: un cristal de tiempo basado en la luz.

Andrey Matsko, físico del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y coautor del estudio, lo compara con el crecimiento de cristales de sal cuando suspendemos un hilo en una solución salina. «Afinar nuestros láseres es como controlar la estructura del hilo que introducimos en la solución», ilustra. En estos ejemplos, el láser o el hilo facilitan la formación de los cristales, pero la periodicidad de estos es una característica propia.

Los estudios anteriores emplearon otros elementos para crear cristales temporales, pero el uso de la luz en el nuevo experimento demostró tener ventajas prácticas. Cabe destacar que el cristal temporal del equipo funciona en condiciones relativamente normales. La mayoría de las fases cuánticas de la materia solo revelan sus propiedades especiales a temperaturas criogénicas o en otras condiciones extremas, y más allá del laboratorio recobran un comportamiento ordinario. «En mi opinión, este experimento es importante porque funciona a temperaturas [relativamente] altas», valora Berislav Buca, físico de la Universidad de Oxford ajeno al estudio. «Eso lo acerca más a los procesos complejos que vemos alrededor nuestro, en el mundo real.»

El cristal temporal basado en la luz también demostró una resistencia sorprendente al notorio desorden del mundo real. Según Taheri, las pérdidas aleatorias de energía y el «ruido parásito» (similar al que muestra un televisor al calentarse) en realidad aumentaron la estabilidad del sistema. Por lo general, «estos dos elementos intentan destruir la cristalinidad», señala, y es preciso aislar por completo los cristales temporales para evitar tales perturbaciones externas. «Pero nuestro sistema alcanza un equilibrio entre estos efectos que se contrarrestan», añade Taheri. Igor Lesanovsky, físico de la Universidad de Nottingham que tampoco tomó parte en el experimento, coincide en que mantener un cristal temporal activo sin aislarlo de su entorno puede resultar complicado. «Se necesita una "conspiración" entre distintos efectos», recalca.

El nuevo sistema exhibe una conspiración así entre la disipación y el ruido, cada uno de los cuales controla los efectos nocivos del otro. Eso lo convierte en un candidato prometedor para su futura integración en dispositivos prácticos. Y tampoco harían falta demasiados componentes, según Lute Maleki, director ejecutivo de la empresa de fotónica OEwaves y coautor del estudio. «La arquitectura [del dispositivo] es realmente simple», subraya. «Debería estar al alcance de muchos grupos [de investigación].» Maleki espera que los futuros estudios lleven este diseño simple pero robusto al centro de la investigación en física fundamental y aplicada, por ejemplo, en relación con la medición precisa del tiempo.

Como cronómetro, el cristal de tiempo basado en la luz quizás sea un poco menos preciso que los relojes atómicos de última generación. Pero su estabilidad y sencillos componentes podrían hacerlo ideal para integrarlo, por ejemplo, en dispositivos de comunicación o computación que requieren medidas muy precisas del tiempo y ser lo bastante resistentes para funcionar fuera de las condiciones controladas de un laboratorio. Además, algunas técnicas de fabricación de componentes electrónicos podrían permitir implementar del cristal temporal en chips, facilitando su integración en los dispositivos comerciales ya existentes.

Además, los físicos podrían estudiar cristales temporales muy grandes del mismo modo en que se han investigado durante decenios los cristales espaciales, según Krzysztof Sacha, físico de la Universidad Jaguelónica de Cracovia y coautor del estudio. Los físicos podrían cambiar el espacio por el tiempo para investigar si los cristales temporales diseñados con ciertos defectos o que reciben un exceso de energía muestran comportamientos inesperados.

Tales comportamientos suelen ser más difíciles de detectar en cristales pequeños, así que la capacidad de aumentar el tamaño de su sistema basado en la luz prepara al equipo para una incursión en terreno desconocido. «Creo que está abriendo un nuevo horizonte [de investigación en física]», subraya Sacha. Wilczek está de acuerdo. «Esta es una clase completamente nueva de estados de la materia», concluye. «Me parece muy posible que, al examinarlos, surjan dispositivos útiles y otras sorpresas. Es un territorio virgen: estamos descubriendo un mundo nuevo.»

Karmela Padavic-Callaghan 

Referencia: «All-optical dissipative discrete time crystals»; Hossein Taheri et al. en Nature Communications, vol. 13, art. 848, 14 de febrero de 2022.

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