Los cristales de tiempo pueden sonar como algo de ciencia ficción, que tienen más que ver con el viaje en el tiempo o con el Dr. Who. Estos materiales extraños, en los que los átomos y las moléculas están dispuestos en el espacio y el tiempo, son de hecho bastante reales, y sonabriendo formas completamente nuevas de pensar sobre la naturaleza de la materia. También pueden ayudar a proteger la información en dispositivos futuristas conocidos como computadoras cuánticas.
Dos grupos de investigadores con sede en la Universidad de Harvard y la Universidad de Maryland informan el 9 de marzo en la revista Naturaleza que han creado con éxito cristales de tiempo utilizando teorías desarrolladas en la Universidad de Princeton. El equipo con sede en Harvard incluyó a científicos de Princeton que desempeñaron papeles fundamentales en la comprensión teórica que condujo a la creación de estos cristales exóticos.
"Nuestro trabajo descubrió la física esencial de cómo funcionan los cristales de tiempo", dijo Shivaji Sondhi, profesor de física de Princeton. "Además, este descubrimiento se basa en un conjunto de desarrollos en Princeton que aborda el tema de cómo entendemossistemas complejos dentro y fuera del equilibrio, que es centralmente importante para la forma en que los físicos explican la naturaleza del mundo cotidiano "
En 2015, Sondhi y sus colegas, incluida la estudiante de posgrado Vedika Khemani, quien obtuvo su doctorado en Princeton en 2016 y ahora es miembro junior en Harvard, así como los colaboradores Achilleas Lazarides y Roderich Moessner en el Instituto Max Planckpara la Física de los sistemas complejos en Alemania, publicó la base teórica de cómo los cristales de tiempo, que al principio se consideraban imposibles, podrían existir realmente. Publicado en la revista Cartas de revisión de física en junio de 2016, el documento generó conversaciones sobre cómo construir tales cristales.
Los cristales ordinarios como los diamantes, el cuarzo o el hielo están formados por moléculas que se organizan espontáneamente en patrones tridimensionales ordenados. Los átomos de sodio y cloro en un cristal de sal, por ejemplo, están espaciados a intervalos regulares, formando una red hexagonal.
Sin embargo, en los cristales de tiempo, los átomos están dispuestos en patrones no solo en el espacio, sino también en el tiempo. Además de contener un patrón que se repite en el espacio, los cristales de tiempo contienen un patrón que se repite con el tiempo. Una forma en que esto podría suceder esque los átomos en el cristal se mueven a cierta velocidad. Si existiera un tiempo de cristal de hielo, todas las moléculas de agua vibrarían a una frecuencia idéntica. Además, las moléculas harían esto sin ninguna entrada del mundo exterior.
El concepto de cristales de tiempo se originó con el físico Frank Wilczek en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. En 2012, el premio Nobel y ex miembro de la facultad de Princeton estaba pensando en las similitudes entre el espacio y el tiempo. En el lenguaje físico, se dice que los cristales "se rompen"simetría traslacional en el espacio "porque los átomos se ensamblan en patrones rígidos en lugar de extenderse uniformemente, ya que están en un líquido o gas. ¿No debería haber también cristales que rompan la simetría traslacional a tiempo?
"Los átomos se mueven en el tiempo, pero en lugar de moverse de manera fluida o continua, se mueven de manera periódica", dijo Sondhi. "Fue una idea interesante". También fue una idea que condujo a acalorados debates enlas revistas de física sobre si tales cristales podrían existir. La conclusión inicial parecía ser que no podían, al menos no en la configuración que Wilczek visualizó.
Sondhi y Khemani estaban pensando en un problema completamente diferente en 2015 cuando elaboraron la teoría de cómo podían existir los cristales de tiempo. Estaban explorando preguntas sobre cómo los átomos y las moléculas se estabilizan, o llegan al equilibrio, para formar fases de materia talescomo sólidos, líquidos y gases.
Si bien era una creencia común entre los físicos que todos los sistemas eventualmente se estabilizan, el trabajo durante la última década más o menos había desafiado esa noción, específicamente entre los átomos a temperaturas muy bajas donde se aplican las reglas de la física cuántica. Se dio cuenta de que hay sistemasque nunca llegan al equilibrio debido a un fenómeno llamado "localización de muchos cuerpos", que ocurre debido al comportamiento de muchos átomos en un sistema cuántico desordenado que se influyen entre sí.
El trabajo en esta área es una larga tradición de Princeton. El primer y fundamental concepto de cómo se pueden localizar los sistemas cuánticos cuando están desordenados, llamado localización de Anderson, surgió del trabajo de Philip Anderson, profesor de Princeton y premio Nobel, en 1958.Este trabajo se extendió en 2006 a sistemas de muchos átomos por el entonces profesor de Princeton, Boris Altshuler, el becario postdoctoral Denis Basko e Igor Aleiner de la Universidad de Columbia.
Durante un año sabático en el Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Alemania, Sondhi y Khemani se dieron cuenta de que estas ideas sobre cómo evitar que los sistemas alcancen el equilibrio permitirían la creación de cristales de tiempo. Un sistema en equilibrio no puede ser un momentocristal, pero los sistemas que no están en equilibrio pueden crearse empujando periódicamente o "conduciendo" un cristal al hacer brillar un láser en sus átomos. Para sorpresa de los investigadores, sus cálculos revelaron que los impulsos periódicos que se encontraban en muchos ángulos que no estaban en equilibriolas fases localizadas en el cuerpo causarían que los átomos se muevan a una velocidad dos veces más lenta, o el doble del período, que la velocidad inicial a la que fueron empujados.
Para explicar, Sondhi comparó la conducción del sistema cuántico con apretar periódicamente una esponja. "Cuando sueltas la esponja, esperas que reanude su forma. Imagina ahora que solo reanuda su forma después de cada segundo apretón aunqueestán aplicando la misma fuerza cada vez. Eso es lo que hace nuestro sistema ", dijo.
El investigador postdoctoral de Princeton Curt von Keyserlingk, quien contribuyó con un trabajo teórico adicional con Khemani y Sondhi, dijo: "Explicamos cómo los sistemas de cristal de tiempo se bloquean en las oscilaciones persistentes que significan una simetría de traducción de ruptura espontánea del tiempo". Trabajo adicional de investigadores enLa Estación Q de Microsoft y la Universidad de California-Berkeley llevaron a una mayor comprensión de los cristales de tiempo.
Como resultado de estos estudios teóricos, dos grupos de experimentadores comenzaron a intentar construir cristales de tiempo en el laboratorio. El equipo con sede en Harvard, que incluía a Khemani en Harvard y von Keyserlingk en Princeton, utilizó una configuración experimental que implicaba crear un artificialcelosía en un diamante sintético. Un enfoque diferente en la Universidad de Maryland utilizó una cadena de partículas cargadas llamadas iones de iterbio. Ambos equipos han publicado el trabajo esta semana en Naturaleza .
Ambos sistemas muestran la aparición del comportamiento cristalino del tiempo, dijo Christopher Monroe, un físico que dirigió el esfuerzo en la Universidad de Maryland. "Aunque cualquier aplicación para este trabajo está lejos en el futuro, estos experimentos nos ayudan a aprender algo sobre lo internofuncionamiento de este estado cuántico muy complejo ", dijo.
La investigación puede eventualmente conducir a ideas sobre cómo proteger la información en las computadoras cuánticas, que pueden ser interrumpidas por la interferencia del mundo exterior. La localización de muchos cuerpos puede proteger la información cuántica, según una investigación publicada en 2013 por el equipo de David de PrincetonHuse, el profesor de física de Cyrus Fogg Brackett, así como Sondhi y sus colegas Rahul Nandkishore, Vadim Oganesyan y Arijeet Pal. La investigación también arroja luz sobre formas de proteger las fases topológicas de la materia, investigación para la cual F. Duncan Haldane de Princeton, el EugeneProfesor Higgins de Física, compartió el Premio Nobel de Física 2016.
Sondhi dijo que el trabajo aborda algunas de las preguntas más fundamentales sobre la naturaleza de la materia. "Se pensó que si un sistema no se estabiliza y llega al equilibrio, no se podría decir que está en una fase"Es un gran problema cuando se puede dar una definición de una fase de la materia cuando la materia no está en equilibrio", dijo.
Esta configuración fuera de equilibrio ha permitido la realización de fases nuevas y emocionantes de la materia, según Khemani. "La creación de cristales de tiempo nos ha permitido agregar una entrada en el catálogo de posibles pedidos en el espacio-tiempo, previamentepensó imposible ", dijo Khemani.
Los documentos "Observación de un orden discreto de tiempo cristalino en un sistema dipolar desordenado de muchos cuerpos" y "Observación de un cristal de tiempo discreto" fueron publicados el 9 de marzo por Naturaleza .
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Catherine Zandonella. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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