Cristales de tiempo: un nuevo estado de la materia

Investigadores de la Universidad de Granada participan en la creación de estos cristales, una fase extraña de la materia que emula una estructura cristalina en la cuarta dimensión, el tiempo, en lugar de solo en el espacio, y que fue propuesta recientemente por el premio Nobel de Física Frank Wilczek, del Massachusetts Institute of Technology (MIT).


Granada |
17 de noviembre de 2020

Científicos de la Universidad de Granada (UGR) y la Universidad de Tübingen (UT, Alemania) han descubierto una forma de crear cristales de tiempo, una nueva fase de la materia que emula una estructura cristalina en la cuarta dimensión, el tiempo, en lugar de solo en el espacio, a partir de fluctuaciones extremas en sistemas físicos de muchas partículas.

En los cristales de tiempo, los átomos repiten un patrón a través de la cuarta dimensión, el tiempo, a diferencia de los cristales normales (como un diamante), que tienen átomos dispuestos en una estructura espacial repetitiva.

Los cristales de tiempo son un nuevo estado de la materia propuesto recientemente por el premio Nobel de física Frank Wilczek, del Massachusetts Institute of Technology (MIT), en Estados Unidos.

En los cristales de tiempo -cuya existencia se sugirió por primera vez en 2012-, los átomos repiten un patrón a través de la cuarta dimensión, el tiempo, a diferencia de los cristales normales (como un diamante), que tienen átomos dispuestos en una estructura espacial repetitiva. Así, estos nuevos cristales temporales se caracterizan por realizar un movimiento periódico en el tiempo.

En este trabajo, publicado recientemente en la prestigiosa revista Physical Review Letters de la American Physica lSociety, una de las publicaciones más importantes del mundo en el ámbito de la física, los investigadores de la UGR demuestran que ciertas transiciones de fase dinámicas que aparecen en las fluctuaciones raras de muchos sistemas físicos rompen espontáneamente la simetría de traslación en el tiempo.

De esta forma, el investigador Rubén Hurtado Gutiérrez, junto con los profesores Carlos Pérez Espigares y Pablo Hurtado, del departamento de Electromagnetismo y Física de la Materia de la UGR, y en colaboración con el profesor Federico Carollo, de la UT, han propuesto un nuevo camino para usar este fenómeno natural para crear cristales de tiempo.

Expertos responsables del estudio, del Departamento de Electromagnetismo y Física de la Materia de la UGR.

Para realizar las simulaciones de este trabajo, los científicos han empleado el superordenador PROTEUS, perteneciente al Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional de la UGR. PROTEUS (https://proteus.ugr.es/) es uno de los superordenadores de cálculo científico general más potentes de España, con una capacidad de cálculo de más de 90TeraFlops que alcanza gracias a sus más de 2300 núcleos de procesamiento, 7.5 Terabytes de RAM y 380TeraBytes de almacenamiento de datos.

Como explica el investigador de la UGR Pablo I. Hurtado, el concepto del tiempo ha desafiado a físicos y filósofos por igual desde la antigüedad. Parafraseando a San Agustín de Hipona, “¿Qué es, pues, el tiempo? Si nadie me lo pregunta, lo sé; pero si quiero explicárselo al que me lo pregunta, no lo sé.»

“La relatividad de Einstein nos enseñó que el tiempo es de alguna manera flexible, y que está inextricablemente unido al espacio en un todo que conocemos como espaciotiempo. Esta unificación Einsteniana es, sin embargo parcial, ya que el tiempo sigue siendo especial en muchos sentidos- indica el investigador de la UGR-. Los ejemplos abundan: podemos movernos adelante y atrás entre dos puntos cualesquiera en el espacio, pero sin embargo no podemos visitar el pasado; el tiempo tiene una flecha (que apunta hacia donde aumenta la entropía) mientras que el espacio no tiene tal flecha, etc. Es más, las simetrías del tiempo también exhiben peculiaridades interesantes”.

En su artículo, los científicos de la UGR proponen una ruta inexplorada hasta ahora para construir cristales de tiempo, basada en la observación reciente de ruptura espontánea de la simetría de traslación temporal en las fluctuaciones de sistemas de muchas partículas. Estas transiciones de fase dinámicas (DPTs, por sus siglas en inglés) aparecen en el espacio de trayectorias, cuando se condiciona a un sistema físico a realizar una fluctuación rara (o improbable) de ciertos observables, como por ejemplo la corriente de partículas.

Usando herramientas de análisis espectral, los científicos han demostrado inequívocamente la relación entre estas DPTs y los cristales de tiempo. Curiosamente, estos eventos raros se pueden convertir en típicos mediante una transformación de la dinámica microscópica de las partículas, que se puede interpretar en términos de la dinámica original complementada con un campo externo inteligente. Esto permite que este comportamiento de cristal temporal, que antes era muy improbable, pueda ser aprovechado de forma práctica.

Pablo I. Hurtado y otros investigadores autores de este trabajo.

Basándose en estas observaciones, los investigadores han propuesto un modelo de fluido fuera del equilibrio que presenta una transición de fase de tipo cristal de tiempo, que rompe la simetría de traslación temporal y muestra rigidez, movimiento periódico coherente robusto y orden espacio-temporal de largo alcance. En este trabajo también se discute como crear estos cristales de tiempo en el laboratorio a partir de fluidos coloidales en trampas ópticas y bajo campos de empaquetamiento externos generados con pinzas ópticas.

“Estos resultados son importantes porque, a nivel fundamental, abren un camino inexplorado para entender mejor el tiempo y sus simetrías, mientras que, a nivel práctico, nos enseñan nuevas formas de crear cristales de tiempo. Esto es especialmente relevante en campos como la metrología, para el diseño de relojes más precisos, o en computación cuántica, donde los cristales de tiempo pueden utilizarse para simular estados fundamentales o diseñar ordenadores cuánticos más robustos frente a la decoherencia, con las posibilidades tecnológicas que esto conlleva”, dicen los investigadores.

Referencia bibliográfica:

Hurtado-Gutiérrez, F. Carollo, C. Pérez-Espigares, and P.I. Hurtado, Buildingcontinuous time crystalsfromrareevents, PhysicalReviewLetters125, 160601 (2020) (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.160601; también disponible en https://arxiv.org/abs/1912.02733)


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