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19 mayo 2023

Los cristales del tiempo, física tan rara como discutida

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Todos sabemos lo que es un cristal. Podremos explicarlo con mayor o menor fortuna, pero la idea es sencilla porque es intuitiva: un material cuyos átomos están organizados en un patrón regular repetido en el espacio que determina su geometría macroscópica, como en la sal común, un copo de nieve o un diamante. Pero dado que en física el tiempo es una dimensión añadida a las del espacio, si hay cristales en el espacio, ¿por qué no en el tiempo? Tal fue la idea, nada sencilla ni intuitiva, del físico Frank Wilczek; idea rebatida en su día y después modificada en un sentido que se ha traducido en sistemas reales. Y si bien se cuestiona que pueda hablarse de cristales temporales, es nueva física con posibles aplicaciones interesantes.

En 2012 Wilczek, profesor del Instituto Tecnológico de Massachusetts y físico reputado por su Premio Nobel en 2004, lanzó en la revista Physical Review Letters una idea que él mismo consideraba extraña y algo embarazosa: cristales de tiempo. El principio consistía en aplicar al tiempo el concepto de un cristal, que a su vez se basa en una idea muy repetida en física, la ruptura de la simetría. Un ejemplo: el agua líquida es simétrica, es igual en todas las direcciones del espacio. Pero esta simetría absoluta se rompe al cristalizar en hielo, que tiene una estructura regular, no continua, sino con una periodicidad repetida en el espacio.

BBVA-OpenMind-Yanes-Los cristales del tiempo fisica tan rara como discutida_1 Frank Wilczek propuso en 2012 la idea de un nuevo estado de la materia equiparable a un diminuto reloj atómico que se movería sin cesar, sin un aporte de energía. Crédito: AFP via Getty Images
Frank Wilczek propuso en 2012 la idea de un nuevo estado de la materia equiparable a un diminuto reloj atómico que se movería sin cesar, sin un aporte de energía. Crédito: AFP via Getty Images

Wilczek sugería, y planteaba matemáticamente, el caso de un material con una periodicidad repetida en el tiempo, como un tictac eterno con un intervalo regular. En un comentario al estudio de Wilczek, el físico Jakub Zakrzewski, de la Universidad Jagiellonian de Cracovia (Polonia), explicaba que la ruptura de la simetría es fácil de entender cuando se trata de sistemas alejados del equilibrio; pierden energía y aumentan su entropía de acuerdo a la segunda ley de la termodinámica. Por ejemplo, las órbitas de los planetas no son circulares, sino elípticas. A lo largo de miles de millones de años, el sistema tiende hacia el equilibrio. 

Pero la ruptura espontánea de la simetría, proseguía Zakrzewski, se observa en la naturaleza en sistemas en equilibrio, que están en su estado digamos final, de menor energía. Un cristal es un ejemplo común. El funcionamiento de la termodinámica hace posible que se forme un copo de nieve, a pesar de ser un estado más ordenado, menos simétrico. “Dado que nos hemos acostumbrado a considerar el espacio y el tiempo en igual posición, uno puede preguntarse si la periodicidad cristalina podría ocurrir en la dimensión del tiempo”, escribía. 

Principales críticas 

La idea clave de Wilczek, explicaba el físico, “es buscar sistemas que estén espacialmente ordenados y se muevan perpetuamente en su estado basal de un modo oscilante o rotativo”. Es decir, un nuevo estado de la materia equiparable a un diminuto reloj atómico que se movería sin cesar, sin necesidad de un aporte de energía, porque ese sería su estado basal.

Claro que ya entonces Zakrzewski subrayaba la principal objeción: “Los cristales de tiempo pueden sonar peligrosamente parecidos a una máquina de movimiento perpetuo”. Al menos desde la Edad Media los inventores han tratado de crear una máquina que funcione de forma constante sin consumir energía. Las leyes de la termodinámica demostraron que tal cosa no es posible, y hoy no hay la menor duda científica sobre esto. Pero según Zakrzewski, en el caso de los cristales del tiempo habría una diferencia esencial: “Mientras que los cristales de tiempo se moverían periódicamente en un ciclo eterno, la rotación ocurre en el estado basal, sin que se produzca trabajo ni pueda extraerse energía utilizable del sistema”.

BBVA-OpenMind-Yanes-Los cristales del tiempo fisica tan rara como discutida_2 Los investigadores han explorado las propiedades de los cristales temporales discretos y sus posibles aplicaciones al mundo real en campos como la computación cuántica. Crédito: Adrienne Bresnahan/Getty Images
Los investigadores han explorado las propiedades de los cristales temporales discretos y sus posibles aplicaciones al mundo real en campos como la computación cuántica. Crédito: Adrienne Bresnahan/Getty Images

Pero algunos físicos no compraron la excepción. Patrick Bruno, director del Grupo de Teoría del Laboratorio Europeo de Radiación Sincrotrón en Grenoble (Francia), fue desde el primer momento la voz cantante en la crítica de los cristales de tiempo. La idea de Wilczek, señala Bruno a OpenMind, “era simple y llanamente errónea, como demostré. La propuesta de Wilczek era solo otra máquina de movimiento perpetuo, algo prohibido por las leyes fundamentales de la física”. Otros científicos corroboraron después la refutación de Bruno.

Cristales temporales discretos

Después de comprenderse que la idea de Wilczek no era válida, en 2016 se introdujo una variación: el comportamiento cristalino temporal se activaría al añadir al sistema una pequeña dosis de energía, de modo que se revirtiera periódicamente el espín de las partículas, como una especie de péndulo cuántico. Es decir, sistemas alejados del equilibrio, a diferencia de la propuesta de Wilczek. Esta nueva versión dio origen en 2016 a los dos primeros modelos prácticos, basados respectivamente en una cadena de átomos de iterbio excitados por láser, y en aplicar microondas a las impurezas de un diamante. En ambos casos se inducía una oscilación repetida con una periodicidad diferente a la del estímulo.

Estos cristales temporales discretos, como se han denominado, han dado lugar a varios ejemplos en los últimos años. Los investigadores han explorado sus propiedades y sus posibles aplicaciones al mundo real en campos como la computación cuántica. Pero según Bruno, no puede hablarse de cristales temporales, ya que no responden a la propuesta original de Wilczek. “Sabemos desde hace siglos que los sistemas fuera del equilibrio pueden oscilar espontáneamente”, aclara. “Es solo física diferente, alguna de ella bastante interesante, pero no tan nueva como se proclama, y genera un bombo que en mi opinión no está justificado”. Para el físico, que continúe hablándose de cristales de tiempo “es solo aire caliente”.

Cristales temporales fotónicos ultrafinos

Cristales temporales o no, este campo está generando avances que tienen su semilla en la chispa prendida por Wilczek. Entre los últimos se cuenta el sistema creado por un equipo de la Universidad Aalto (Finlandia), la Universidad de Stanford y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (Alemania). En los llamados cristales temporales fotónicos, lo que oscila en el tiempo son las propiedades electromagnéticas del material; es decir, lo que hace con la luz.

En los llamados cristales temporales fotónicos, lo que oscila en el tiempo son las propiedades electromagnéticas del material; es decir, lo que hace con la luz. Crédito: Xuchen Wang/Aalto University

Según cuenta a OpenMind Xuchen Wang, autor principal del trabajo, los cristales temporales fotónicos anteriores eran muy voluminosos. “Esto dificultaba implementarlos en la práctica”, apunta. “Nuestro sistema usa una estructura de película ultrafina en 2D, que tiene propiedades similares a los cristales temporales fotónicos 3D pero es más fácil fabricarlo y cambiar sus propiedades”.

La magia del cristal ultrafino de Wang y sus colaboradores consiste en aumentar exponencialmente la luz que incide en él. “Esto podría conducir al desarrollo de nuevos tipos de láseres que no requieran una estructura tradicional de cavidad con espejos reflectantes”, comenta. Wang añade que podría “integrarse en sistemas avanzados de comunicación wireless para amplificar las ondas y mejorar la eficiencia”. Llámense cristales temporales o de otro modo, algún investigador ya sugiere que tal vez algún día los llevemos en el teléfono móvil.

 

Javier Yanes

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