Es hora de volver los cristales de tiempo más complejos
Para desbloquear el potencial de las máquinas cuánticas, los científicos están experimentando con estados de la materia poco convencionales. Uno de ellos son los cristales de tiempo. Algunos teóricos de la computación predicen que estos cristales podrán funcionar como un análogo cuántico de la memoria RAM de la computación o como mejores relojes atómicos. Aunque aún falta mucho para alcanzar ese nivel de desarrollo, los investigadores siguen explorando los límites de la organización de las partículas.
Un reciente avance ha llegado de la mano de un equipo internacional de científicos de la Universidad de Washington en St. Louis, el Instituto Tecnológico de Massachusetts y la Universidad de Harvard. Según su artículo publicado en la revista Physical Review X, han logrado crear un nuevo tipo de cristal de tiempo, donde los estados cuánticos de sus átomos oscilan a ritmos más complejos. En respuesta, el material se vuelve más sensible a fuerzas cuánticas como el magnetismo.
Un equipo de físicos “atrapó luz” en un cristal y creó un material supersólido, un hito con aplicaciones en la computación cuántica.
Los cristales no son lo que imaginas
Aunque el término «cristales de tiempo» puede parecer salido de la ciencia ficción, estos han sido una realidad experimental desde 2016. Su nombre usualmente genera confusión porque los físicos usan términos cotidianos para describir conceptos abstractos. Por ejemplo, cuando hablan de un «cristal», no se refieren a un material traslúcido con propiedades ópticas (como una lente), sino a una estructura molecular sólida con un patrón tridimensional ordenado.
Un cristal típico posee una red de partículas conectadas que se extiende en las tres dimensiones: largo, ancho y alto. Este orden le confiere propiedades como su forma geométrica, dureza o incluso comportamiento eléctrico. Materiales como la sal común (cloruro de sodio) y el silicio (esencial en los chips de computadoras) son ejemplos cotidianos de cristales. Si observáramos un grano de sal a escala atómica, veríamos una estructura cúbica perfectamente ordenada.
También notaríamos que el grano de sal parece un mosaico, donde cada «pieza» es un átomo, dispuesta en un patrón que, al unirse, forma una red simétrica. Estamos frente a una de las propiedades fundamentales de un cristal: un patrón repetitivo. Los físicos sugieren imaginar este concepto como una pared de ladrillos. No importa cuánto se extienda la pared, la disposición de los ladrillos será siempre la misma.
¿Qué es un cristal de tiempo?
Un cristal de tiempo no almacena «tiempo» como podría sugerir su nombre. Más bien, es un material cuyos átomos siguen un patrón de comportamiento simétrico en el tiempo. Los expertos los fabrican para profundizar en la naturaleza simétrica de las partículas en los sólidos.
Así como los átomos de un cristal común forman un patrón ordenado en el espacio, en los cristales de tiempo, ciertas propiedades cuánticas de los átomos (como el espín o estado de energía) oscilan en patrones repetitivos a lo largo del tiempo. Por ejemplo, si imagináramos un cristal de tiempo formado por sal de mesa, los átomos de sodio y cloro permanecerían fijos en su red tridimensional, pero sus propiedades cuánticas oscilarían en un ciclo continuo, como A, B, A, B, repitiéndose indefinidamente. Esta oscilación rítmica es lo que los físicos llaman el «tictac» de un reloj cuántico.
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Los cuasicristales de tiempo
En un cristal de tiempo, los estados cuánticos fluctúan con un ritmo periódico simple. Sin embargo, en los cuasicristales de tiempo, este patrón se vuelve mucho más complejo. La combinación de sus frecuencias no son múltiplos exactos. Según los investigadores, “los ritmos son muy precisos y organizados, pero se asemejan más a un acorde que a una nota”. También se usa la metáfora de música con compás fijo y un jazz caótico, para distinguirlos entre sí.
En este reciente experimento, los investigadores perforaron la estructura atómica de un diminuto diamante con átomos de helio. Estos agujeros, donde antes estaban los átomos de carbono, ahora albergan electrones que interactúan cuánticamente con sus vecinos. Según el artículo publicado, “la naturaleza multifrecuencia del impulso cuasiperiódico permite la formación de patrones asociados con diversas fases cuasicristalinas de tiempo discreto”.
Los cristales de tiempo resultan atractivos porque, conceptualmente, son similares a una máquina de movimiento perpetuo. Una vez iniciada su oscilación, no requieren energía adicional para mantenerla, lo que podría abrir nuevas posibilidades en tecnologías cuánticas.