Los cristales son objetos extraordinarios, en parte por su simetría. Los cristales forman patrones repetitivos que son iguales en algunas direcciones pero no en todas. Es algo sorprendente dado que las leyes de la física, que gobiernan su formación, son las mismas en todas las direcciones.

El hecho de que las leyes de la física son espacialmente simétricas pero los cristales no es un fenómeno conocido como simetría rota. No se produce al añadir energía a un sistema, sino al retirarla. De hecho, los cristales son una manifestación de sistemas en sus estados energéticos más bajos.

Pero las leyes de la física no sólo son simétricas en el espacio sino también en el tiempo. Y eso suscita la interesante pregunta de si es posible romper la simetría temporal de la misma manera. En otras palabras, ¿es posible crear cristales del tiempo?

Hoy recibimos una respuesta gracias al trabajo del investigador de la Universidad de Maryland en College Park (EEUU) Chris Monroe y varios compañeros. El equipo ha creado por primera vez un cristal del tiempo en su laboratorio.

El proceso básico para crear cristales del tiempo es sencillo. La idea consiste en desarrollar un sistema cuántico, como un grupo de iones dispuestos en forma de anillo y enfriarlos hasta que adquieran su estado energético más bajo. Bajo estas condiciones, las leyes de la física sugieren que el anillo debería ser totalmente estacionario.

Pero en caso de romperse la simetría del tiempo, el anillo podría variar en el tiempo de forma periódica. En otras palabras, rotaría. Por supuesto, nunca sería posible extraer energía de este movimiento, eso violaría la ley de conservación de la energía. Pero la rotura temporal de simetría se manifestaría en este movimiento repetitivo en el tiempo, al igual que la simetría rota se manifiesta como patrones repetitivos en el espacio.

Esa es la teoría, pero en el mundo real las cosas no son tan sencillas. El principal problema es que el mundo cuántico no está gobernado por variables dependientes del tiempo, por lo que la simetría del tiempo no puede romperse a esta escala. Así que en circunstancias normales, enfriar un anillo de iones en su estado energético más bajo lo dejaría inmóvil.

Pero hay circunstancias en las que los sistemas cuánticos sí evolucionan con el tiempo. El equipo de Monroe se han centrado en estos: sistemas cuánticos que no están en equilibrio. Su sistema cuántico es una línea de iones de iterbio con rotaciones que interactúan entre sí.

Esa interacción da paso a un tipo de comportamiento especial. Una de las características más extrañas de las partículas cuánticas es que normalmente no están en una ubicación específica. Más bien están repartidas por el espacio con la posibilidad de que aparezcan en cualquier parte según las leyes de la probabilidad.

Pero en algunas circunstancias esto puede cambiar. Por ejemplo, un electrón único dentro de un material puede interferir consigo mismo y obligarse a permanecer en una única ubicación. El fenómeno se conoce como localización de Anderson, en honor al físico que la predijo en la década de 1950.

Más recientemente, los físicos han investigado grupos de partículas cuánticas que interactúan consigo mismas para poder localizaras. Se trata de la llamada localización de muchos cuerpos, y representa un estado muy delicado que mantiene las partículas cuánticas en desequilibrio. En otras palabras, las obliga a estar localizadas. Es exactamente así como esta cadena de iones de iterbio se comporta.

Una de las propiedades clave de estos iones es su magnetización o rotación, que puede ser invertida con el uso de un láser. Invertir la rotación de un ion provoca la inversión del siguiente, y así sucesivamente. Estas interacciones de rotación oscilan a un ritmo que depende de la regularidad con la que el láser invierta la rotación original. En otras palabras, la frecuencia perturbadora determina el ritmo de oscilación.

Pero cuando el equipo de Monroe midió esto, encontraron otro efecto. Descubrieron que después de permitir al sistema evolucionar, las interacciones se produjeron a un ritmo que duplicaba el período original. Puesto que no existe ninguna fuerza motriz con ese período, la única explicación es que la simetría del tiempo debe de haberse roto, permitiendo así estos períodos más largos. Es decir que el equipo de Monroe había creado un cristal del tiempo.

Los investigadores midieron algunas propiedades de estos cristales. Encontraron, por ejemplo, que cambiar la frecuencia perturbadora no hizo variar la frecuencia del cristal del tiempo. "Esto representa la 'rigidez' del cristal del tiempo discreto", escriben.

Y descubrieron que el cristal del tiempo se podía destruir con otras perturbaciones. "Cuando las perturbaciones son demasiado grandes, el cristal 'se derrite'", explica el equipo de Monroe.

Es un trabajo interesante, aunque algo esotérico. Demuestra que los cristales del tiempo pueden existir, como predijeron en 2012 el físico y premio nobel Frank Wilczek del Instituto Tecnológico de Massachusetts y Al Shapere de la Universidad de Kentucky (ambas en EEUU).

En cuanto a las aplicaciones, el equipo de Monroe hace varias sugerencias. Por ejemplo, los cristales del tiempo podrían usarse en tareas de información cuántica, como implementar una robusta memoria cuántica.

Pero la naturaleza exótica de la localización de muchos cuerpos y el hecho de que aún se entiende poco de ella puede motivar a otros físicos para estudiarla cuidadosamente para asegurarse de que los cristales de tiempo existen de verdad.

Así que quedan más trabajos interesantes por hacer.

Ref: http://arxiv.org/abs/1609.08684: Observation of a Discrete Time Crystal