Cristales de Tiempo: Una Nueva Fase de la Materia

Por: Resonance Science Foundation

El mecanismo subyacente a la formación de cristales es la ruptura de la simetría en el dominio espacial. También es responsable de las transiciones de fase entre el líquido y el sólido, y se asocia desde hace tiempo a un sistema en equilibrio, es decir, un sistema en su estado básico.

Sin embargo, dos equipos independientes de científicos han confirmado recientemente la existencia de cristales en un estado de no-equilibrio, conocidos como cristales de tiempo. Predichos en 2012 por el premio Nobel Frank Wilczek, estos sistemas rompen la simetría en el dominio del tiempo, donde muestran periodicidades en una frecuencia subarmónica emergente y son robustos a las perturbaciones externas. ¿Podría tratarse de una frecuencia resonante del vacío cuántico?

La idea básica de un cristal de tiempo es relativamente sencilla. Un medio cristalino tiene una estructura periódica o que se repite regularmente. Sin embargo, debido a consideraciones entrópicas (que obligan a la sustancia a entrar en su estado de menor energía), el cristal no tendrá la misma estructura repetitiva en todas las direcciones: será asimétrico, lo que se conoce como ruptura de la simetría de traslación espacial. Así, mientras que en los cristales normales esta estructura periódica y repetitiva es asimétrica espacialmente (la configuración espacial de la red cristalina), en un cristal de tiempo la periodicidad asimétrica no se da en la organización espacial sino en los medios que varían en el tiempo.

La materia ultrafría sirve normalmente como medio, donde los iones se enfrían a una temperatura tan baja que ya no hay ruido térmico y se confinan dentro de una trampa magneto-óptica. Este debería ser un arreglo completamente estacionario, sin embargo, debido a una oscilación variable en el tiempo impulsada en los iones, éstos interactuarán con las fluctuaciones cuánticas del vacío y el medio rotará. Se trata de un fenómeno similar y relacionado con el efecto Casimir dinámico, en el que se emiten fotones y fonones desde el vacío debido a las condiciones de contorno que varían en el tiempo. En el caso del cristal del tiempo, esto permitiría un dispositivo de rotación perpetua (descargar el artículo aquí).

La razón por la que esto no se había observado hasta hace poco es que los procesos cuánticos no se rigen por variables dependientes del tiempo, principalmente porque las partículas cuánticas en equilibrio no tienen posiciones definidas. Sin embargo, se puede hacer que los iones de iterbio en una trampa magneto-óptica sufran una localización definida, y que sean conducidos al no-equilibrio cuando se les somete a un accionamiento periódico, en este caso un láser que invierte periódicamente el espín de los iones; todo ello hace que se correlacionen en el tiempo. Ahora, como debería haber una oscilación periódica simétrica en el tiempo de los iones (una frecuencia subarmónica emergente de la tasa de giro del espín con el láser); la simetría temporal puede romperse, y se forma un cristal de tiempo discreto. El anillo de iones atrapados comienza a girar.

Es extremadamente interesante que tal situación sea impulsada por las fluctuaciones del vacío cuántico -- como el efecto Casimir dinámico, la observación de un cristal de tiempo real es una clara demostración de la energía real del vacío cuántico.

Artículo: https://arxiv.org/pdf/1609.08684.pdf

Artículo: http://www.sciencealert.com/scientists-have-just-announced-a-brand-new-form-of-matter-time-crystals