Christopher Monroe se pasa la vida hurgando átomos con luz.
Él las organiza en anillos y cadenas y luego las masajea con láser para explorar sus propiedades y convertirlas en ordenadores cuánticos básicos.
El año pasado, decidió probar algo que parecía imposible:
crear un cristal de tiempo.
El nombre suena como un puntal del doctor Who, pero tiene sus raíces en la física real.
Los cristales de tiempo son estructuras hipotéticas que pulsan sin requerir ninguna energía - como un reloj que nunca necesita bobinado. El patrón se repite en el tiempo de la misma manera en la que los átomos de un repetidor de cristal en el espacio.
La idea era tan difícil que cuando el ganador del premio Nobel, el físico Frank Wilczek propuso el provocativo concepto 1 en 2012, otros investigadores demostraron rápidamente que no había manera de crear cristales de tiempo.
Pero había un vacío - y los investigadores en una rama separada de la física se encontraron una manera de explotar la brecha.
Monroe, un físico de la Universidad de Maryland en College Park, y su equipo utilizaron cadenas de átomos que habían construido para otros fines, para hacer una versión de un cristal de tiempo. 2
"Yo diría que es más o menos cayó en nuestro regazo", dice Monroe.
Y un grupo dirigido por investigadores de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, independientemente formaron cristales de tiempo de diamantes "sucios". 3
Ambas versiones, que se publican esta semana en la naturaleza, se consideran los cristales de tiempo, pero no cómo Wilczek imaginaron originalmente.
"Es menos rara que la primera idea, pero aún así es muy rara", dice Norman Yao, un físico de la Universidad de California, Berkeley, y uno de los autores en ambos papeles.
Éstos son también los primeros ejemplos de un extraordinario tipo de materia - una colección de partículas cuánticas que cambia constantemente, y nunca alcanza un estado de equilibrio.
Estos sistemas extraen estabilidad de las interacciones al azar que normalmente perturbaría otros tipos de materia.
"Este es un nuevo tipo de orden, que previamente se creía imposible.Eso es muy emocionante", dice Vedika Khemani, parte del equipo de Harvard y que anteriormente formaba parte del grupo que originalmente teorizó la existencia de la nueva clase de estado.
Los físicos experimentales ya están planeando la manera de explotar las características de estos extraños sistemas en los ordenadores cuánticos y sensores de imanes ultra-sensibles.
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CÓMO CREAR UN CRISTAL DE TIEMPO
Los cristales de minerales rompen la simetría en el espacio porque sus átomos ocupan posiciones fijas, por lo que se ven diferentes cuando son cambiados de lugar. También resisten a los cambios en su estructura espacial. Los Cristales de Tiempo rompen la simetría en el dominio del tiempo: cambian de un momento a otro, también con un patrón repetitivo que es resistente.
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Descanso
Wilczek inventó los cristales de tiempo como una forma de romper las reglas.
Las leyes de la física son simétricas, puesto que se aplican por igual a todos los puntos en el espacio y el tiempo. Sin embargo, muchos sistemas violan la simetría. En un imán, los giros atómicos se alinean en lugar de señalar en todas las direcciones.
En un cristal mineral, los átomos ocupan posiciones establecidas en el espacio, y el cristal no se ve lo mismo si es ligeramente desplazado.
Cuando una transformación hace que las propiedades cambien, los físicos lo llaman ruptura de la simetría, y está por todas partes en la naturaleza - en la raíz del magnetismo, la superconductividad e incluso el mecanismo de Higgs que le da masa a todas las partículas.
En 2012, Wilczek, ahora en la Universidad de Estocolmo, se preguntó por qué nunca se rompió espontáneamente la simetría en el tiempo y si sería posible crear algo en lo que sí lo hacía.
Él lo llamó un cristal de tiempo...
Los Experimentalistas imaginaron un versión cuántica de la entidad como tal vez un anillo de átomos girando sin fin, haciendo ciclos y volviendo a su configuración inicial.
Sus propiedades serían infinitamente sincronizadas en el tiempo, al igual que las posiciones de los átomos están correlacionadas en un cristal. El sistema estaría en su estado de energía más bajo, pero su movimiento no requeriría ninguna fuerza externa.
Sería, en esencia, una máquina de movimiento perpetuo, aunque no es una que produce energía utilizable.
"Desde un primer vistazo a la idea, se podría decir que esto tiene que estar equivocado", dice Yao.
Casi por definición, un sistema en su estado de energía más bajo no varía en el tiempo.
Si así fuera, eso significaría que tiene exceso de energía que perder, dice Norman Yao, y la rotación no tardaría en detenerse.
"Pero Frank convenció a la comunidad que el problema era más sutil de lo que quizá parecía ser", dice.
El movimiento perpetuo tiene precedentes en el mundo cuántico: en teoría, los superconductores conducen la electricidad para siempre (aunque el flujo es uniforme, por lo que no muestran ninguna variación en el tiempo).
Estas conflictivas preguntas nadaban alrededor de la cabeza de Haruki Watanabe mientras salía del primer examen oral para su doctorado en Berkeley.
Había estado presentando trabajos sobre ruptura de la simetría en el espacio, y su supervisor le preguntó acerca de las implicaciones más amplias del cristal del tiempo de Wilczek.
"No podía responder a la pregunta en ese examen, pero me interesaba", dice Watanabe, que dudaba de esa entidad fuese siquerea viable."Me preguntaba, '¿cómo puedo convencer a la gente que no es posible"? "
Junto con el físico Masaki Oshikawa en la Universidad de Tokio, Watanabe comenzó a tratar de demostrar su respuesta intuitiva de una forma matemáticamente rigurosa.
Por frasear el problema en términos de correlaciones en el espacio y el tiempo entre partes distantes del sistema, el par deriva en 2015 un teorema que muestra que los cristales de tiempo eran imposibles de crear para cualquier sistema en su estado más bajo energía. 4
Los investigadores también verificaron que los cristales de tiempo eran imposibles en cualquier sistema en equilibrio - uno que ha alcanzado un estado estable de energía.
Para la comunidad de la física, el caso era claro.
"Eso pareció ser algo que nos e puede", dice Monroe.
Pero la prueba dejó un vacío legal.
No descartaba que los cristales de tiempo ens sistemas que aún no se han asentado en un estado estable y que están fuera de equilibrio. En todo el mundo, los teóricos comenzaron a pensar en formas de crear versiones alternativas de los cristales de tiempo.
Sopa de Partículas
Cuando llegó el gran avance, llegó desde una esquina poco probable de la física, donde los investigadores no estaban pensando en los cristales de tiempo en absoluto.
Shivaji Sondhi, un físico teórico de la Universidad de Princeton, Nueva Jersey, y sus colegas estaban mirando a lo que ocurrió cuando ciertos sistemas cuánticos aislados, hechos de sopas de partículas que interactuando, se les da varios empujoncitos.
El libro de texto de física dice que los sistemas deben calentarse y descender al caos.
Pero en 2015, el equipo de Sondhi predijo que bajo ciertas condiciones, en su lugar se unirían para formar una fase de la materia que no existe en equilibrio - un sistema de partículas que muestran correlaciones sutiles nunca antes vistas - y que podrían repetir un patrón en el tiempo. 5
Esa propuesta llamó la atención de Chetan Nayak, uno de los antiguos alumnos de Wilczek, ahora en la Universidad de California, Santa Bárbara, y en las inmediaciones de la estación Q de Microsoft. Nayak y sus colegas pronto se dieron cuenta de que esta extraña forma de materia fuera de equilibrio también podría ser un tipo de cristal tiempo. 6
Pero no del tipo de Wilczek: no estaría en su estado más bajo de energía, y requeriría regularmente un empujón para pulsar.
Pero ganaría un ritmo constante que no coincide con la del empujón regular para instigarla, y eso significa que rompería la simetría del tiempo.
"Es como jugar con una cuerda para saltar, y de alguna manera nuestro brazo gira dos veces a su alrededor, pero la cuerda sólo se da la vuelta una vez," dice Yao.
Este es un tipo más débil de ruptura de la simetría que Wilczek imaginó: en la suya, la cuerda oscilaría por sí misma.
Cuando Monroe oyó hablar de este sistema propuesto, él al principio no lo entendía.
"Cuanto más leía sobre ello, más intrigado estaba", dice.
La iluminación con luz verde
revela un cristal de tiempo formado
en una red de giros de electrones (rojo)
dentro de los defectos de un diamante.
El año pasado, él se dedicó a tratar de formar sus átomos en un cristal de tiempo.
La receta era increíblemente compleja, pero sólo tres ingredientes eran esenciales:
La combinación de estos, dice Monroe, asegura que las partículas estén limitadas en la cantidad de energía que pueden absorber, lo que les permite mantener un estado estable, ordenado.
En su experimento, esto significaba disparar repetidamente láser alternos en una cadena de diez iones de iterbio: el primer láser voltea sus giros y el segundo hace que los giros interactúen entre sí de una manera al azar.
Esa combinación hace que los giros atómicos oscilen, pero al doble del tiempo en el que estaban siendo volteados.
Más que eso, los investigadores encontraron que, incluso si comenzaron a dar la vuelta al sistema de una manera imperfecta, tal como cambiando ligeramente la frecuencia de las patadas, la oscilación sigue siendo el mismo.
"El sistema sigue bloqueado a una frecuencia muy estable", dice Monroe.
Los cristales espaciales son igualmente resistentes a cualquier intento de empujar a sus átomos de espaciarse, dice.
"Este cristal de tiempo tiene lo mismo."
En Harvard, el físico Mikhail Lukin intentó hacer algo similar, pero en un sistema muy diferente - un pedazo 3D de diamante.
El mineral estaba plagado de alrededor de 1 millón de defectos, cada uno albergando cada un giro. Y las impurezas del diamante proporcionaron un desorden natural.
Cuando Lukin y su equipo utilizaron pulsos de microondas para voltear los giros, vieron que el sistema respondió a una fracción de la frecuencia con la que estaba siendo perturbado.
Los físicos convienen que los dos sistemas espontáneamente rompen una especie de simetría de tiempo y por lo tanto matemáticamente realizan los criterios de cristal de tiempo.
Sin embargo, existe cierto debate sobre si se debe llamarle cristales de tiempo.
"Este es un desarrollo interesante, pero en cierta medida se trata de un abuso del término", dice Oshikawa.
Yao dice que los nuevos sistemas son cristales de tiempo, pero que la definición debe ser reducida para evitar incluir fenómenos que ya están bien comprendidos y no son tan interesantes para los físicos cuánticos.
Pero las creaciones de Monroe y de Lukin son muy interesantes por diferentes razones, también, dice Yao.
Parecen ser los primeros, y tal vez más simples ejemplos de una serie de nuevas fases que existen en estados fuera de equilibrio relativamente sin explorar, dice. También podrían tener varias aplicaciones prácticas.
Uno podría ser sistemas de simulación cuántica que funcionan a altas temperaturas.
Los físicos utilizan a menudo las partículas cuánticas entrelazadas a temperaturas nanokelvin, cercanas al cero absoluto, para simular los complejos comportamientos de materiales que no pueden no ser modelados en un ordenador clásico.
Los cristales de tiempo representan un sistema cuántico estable que existe muy por encima de estas temperaturas - en el caso del diamante de Lukin, a temperatura ambiente - lo que podría abrir la puerta a las simulaciones cuánticas sin criogenia.
Los cristales de tiempo también podrían encontrar uso en sensores de super-precisión, dice Lukin. Su laboratorio ya utiliza defectos de diamante para detectar pequeños cambios de temperatura y campos magnéticos.
Pero el enfoque tiene sus límites, ya que si demasiados defectos se embalan en un espacio pequeño, sus interacciones destruyen sus frágiles estados cuánticos.
En un cristal de tiempo, sin embargo, las interacciones sirven para estabilizar, en lugar de interrumpir, por lo que Lukin pudo aprovechar millones de defectos en conjunto para producir una señal fuerte - una capaz de sondear de manera eficiente las células vivas y materiales del espesor del átomo.
El mismo principio de la estabilidad de las interacciones podría aplicarse más ampliamente en la computación cuántica, dice Yao.
Los ordenadores cuánticos muestran gran promesa, pero siempre han luchado con las dificultades opuestas de la protección de los frágiles bits cuánticos que realizan cálculos, y mantenerlos accesibles para la codificación y lectura de información.
"Uno puede preguntarse a sí mismo en el futuro si se podía encontrar fases donde las interacciones estabilizan estos bits cuánticos", dice Yao.
La historia de los cristales de tiempo es un bello ejemplo de la frecuencia con la que ocurre el progreso cuando diferentes corrientes de pensamiento se unen, dice Roderich Moessner,director del Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Dresden, Alemania.
Y puede ser, dice, que esta receta en particular resulte ser sólo una de las muchas maneras de cocinar un cristal del tiempo.
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