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Cristal del tiempo

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Contenido

El Cristal del tiempo es un sistema cuántico representado por un grupo de iones de iterbio dispuestos en forma de anillo. Al enfriar el sistema para que los iones adquieran su estado energético más bajo, los físicos descubrieron que el anillo comenzó a rotar alrededor de su eje. De este modo —de acuerdo con las leyes de la física— se rompió la simetría del tiempo.

Figura 1: Floquet evolución de una cadena de spin. Tres hamiltonianos se aplican secuencialmente en el tiempo: un giro global de Casi π (H1), interacciones de largo alcance de Ising (H2) y fuertes Desorden (H3). El sistema evoluciona durante 100 períodos Floquet de esta secuencia

La rotación del anillo viola la ley de la conservación de la energía, ya que nunca sería posible extraer energía de este movimiento. En circunstancias normales, enfriar este anillo de iones lo dejaría inmóvil, pero los investigadores lograron crear un sistema que no mantuviera el equilibrio. Además, las interacciones de los iones se produjeron a un ritmo que duplicaba el período normal, y la ruptura de la simetría del tiempo es la única explicación para que se produzcan los períodos tan largos de interacción.

Quiebre espontaneo de la simetria del tiempo discreto

Los físicos también descubrieron que el cristal del tiempo se destruye cuando se ve afectado por perturbaciones fuertes durante los experimentos.

Variación de la amplitud de la curva subarmónica

"Cuando las perturbaciones [de las partículas] son demasiado grandes, el cristal 'se derrite'", explicaron los científicos. El trabajo demuestra que los cristales del tiempo pueden existir, como predijeron en el año 2012 el Premio Nobel Frank Wilczek, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, y Al Shapere, de la Universidad de Kentucky (EEUU). Los cristales del tiempo pueden usarse en el avance de la llamada información cuántica.[1][2]

Son los cristales de tiempo una mera curiosidad matemática o pueden existir realmente

Desde que fuera propuesta en 2012 por el Nobel de Física Frank Wilczek, su existencia real ha sido motivo de arduos debates entre los físicos teóricos. Para Wilczek, estas hipotéticas estructuras 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 en teoría, ningún objeto en este estado dispone de suficiente energía para moverse lo más mínimo.

Durante los años siguientes a la publicación de esta idea, otros investigadores han propuesto a su vez varios argumentos para probar que la existencia física de los cristales de tiempo resulta imposible.

Una opinión que, en general, comparten la mayoría de los físicos, ya que si los cristales de tiempo existieran en la Naturaleza, tendrían unas propiedades realmente extrañas. Por supuesto, no sería posible extraer energía útil de un cristal de tiempo, ya que al interactuar con ellos se detendrían. Pero incluso si no violaran la Segunda Ley de la Termodinámica, seguirían violando otra simetría fundamental de las leyes de la Física.

A pesar de todo ello, 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) acaban de demostrar, en un artículo publicado en Physical Review Letters, quelos cristales de tiempo podrían existir de verdad.

Para ello, los físicos se han centrado en la que es la más sorprendente de las implicaciones que tiene la existencia de un cristal de tiempo, a saber, la rotura espontánea de la una simetría fundamental llamada "simetría de traslación temporal".

En palabras de Dominic Else, uno de los autores del estudio, "aquí, la diferencia fundamental es la que se da entre una rotura explícita de una simetría y la rotura espontánea de esa misma simetría. Si la simetría se rompe de forma explícita, entonces las propias leyes de la Naturaleza dejarán de tener esa simetría. Pero una rotura espontánea de la simetría significa que las leyes de la Naturaleza seguirían teniendo esa simetría, aunque la propia Naturaleza haya elegido un estado que no la tiene".

De esta forma, si los cristales de tiempo realmente provocan una rotura espontánea de la simetría de traslación temporal, las leyes de la Naturaleza que los gobiernan no deberían cambiar con el tiempo, aunque los cristales mismos sí que cambiarían.

Se da la circunstancia de que, aunque en múltiples experimentos en todo el mundo ya se han observado roturas de prácticamente todas las simetrías que existen en la Naturaleza, nadie ha logrado observar aún una rotura de la simetría de traslación temporal. Un ejemplo espontáneo de rotura de simetría sucede en los imanes. Las leyes de la Naturaleza no imponen que un extremo concreto del imán sea el polo norte y el otro el polo sur. Sin embargo, cualquier material magnético rompe espontáneamente esa simetría y "elige" un extremo concreto para que sea el polo norte. Otro ejemplo son los cristales. A pesar de que las leyes de la Naturaleza no cambian (son invariantes) incluso bajo rotación o movimiento, los cristales rompen espontáneamente esas simetrías espaciales, ya que cambian según el ángulo desde el que se los mire, o cuando están en movimiento.

Simetría rota

En el nuevo estudio, los físicos definen específicamente lo que constituiría una rotura espontánea de la simetría de traslación temporal, y utilizan simulaciones informáticas para predecir si esa "simetría rota" podría darse en una determinada y extensa categoría de sistemas cuánticos (de Floquet) que tienen la particularidad de que permanecen lejos del equilibrio térmico en todo momento, por lo que el sistema nunca se calienta.

La nueva definición de una rotura de la simetría de traslación temporal es similar a la de otras roturas de simetrías. Básicamente, cuando el tamaño de un sistema (como por ejemplo un cristal) aumenta, el tiempo necesario para pasar de un estado de rotura de simetría a otro simétrico también aumenta, y en un sistema infinito el estado simétrico jamás podrá ser alcanzado. Lo cual supone que la simetría está rota en todo el sistema.

"El significado de nuestro trabajo -explica Bela Bauer, investigador de la Estación Q de Microsoft- es doble: por un lado, demuestra que la simetría de traslación temporal no es inmune a una rotura espontánea. Por el otro, profundiza en nuestra comprensión de que los sistemas que no están en equilibrio pueden contener muchos estados interesantes de la materia que no pueden existir en los sistemas que sí están en equilibrio".

Según los investigadores, sería posible llevar a cabo un experimento para observar cómo se rompe la simetría de traslación temporal, utilizando un extenso sistema de átomos atrapados, iones atrapados o qbits superconductores para fabricar un cristal de tiempo, y después observar y medir la evolución de dicho sistema. Los científicos predicen que ese sistema exhibirá el movimiento oscilatorio periódico que es característico de los cristales de tiempo y el indicativo de la rotura de la simetría temporal.

"Con la colabración de otros grupos experimentales -afirma por su parte Chetan Nayak, otro de los autores del trabajo- estamos explorando la posibilidad de crear cristales de tiempo en gases atómicos muy fríos"[3].

Journal Science / Review & Sciences

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