Estimad@s colegas y amig@s,
Un estimado colega nos comparte el presente artículo publicado el 8 de julio de 2024 en el apartado de noticias de investigación del portal Web de la Vienna University of Technology (TU-WIEN) y traducido por nosotros para este espacio. Veamos de que se trata…
Un cristal es una disposición de átomos que se repite en el espacio, en intervalos regulares: en cada punto, el cristal parece exactamente igual.
En 2012, el premio Nobel Frank Wilczek planteó la pregunta: ¿podría haber también un cristal del tiempo, un objeto que se repita no en el espacio sino en el tiempo? ¿Y podría ser posible que surja un ritmo periódico, aunque no se imponga ningún ritmo específico al sistema y la interacción entre las partículas sea completamente independiente del tiempo?
Durante años, la idea de Frank Wilczek ha causado mucha controversia. Algunos consideraban que los cristales de tiempo eran en principio imposibles, mientras que otros intentaron encontrar resquicios en el concepto y realizar cristales de tiempo bajo ciertas condiciones especiales.
Ahora, se ha creado con éxito un tipo de cristal del tiempo particularmente espectacular en la Universidad de Tsinghua en China, con el apoyo de TU Wien en Austria.
El equipo utilizó luz láser y tipos especiales de átomos, concretamente átomos de Rydberg, con un diámetro varios cientos de veces mayor de lo normal. Los resultados han sido publicados en la revista Nature Physics.
Ruptura espontánea de simetría
El tictac de un reloj también es un ejemplo de movimiento temporalmente periódico. Sin embargo, esto no sucede por sí solo: alguien debe haber dado cuerda al reloj y puesto en marcha a una hora determinada. Este tiempo de inicio determinó el momento de los tics. Es diferente con un cristal de tiempo:
Según la idea de Wilczek, una periodicidad debería surgir espontáneamente, aunque en realidad no existe ninguna diferencia física entre diferentes momentos en el tiempo.
"La frecuencia de los tics está predeterminada por las propiedades físicas del sistema, pero los momentos en que se producen son completamente aleatorios; esto se conoce como ruptura espontánea de la simetría", explica el profesor Thomas Pohl del Instituto de Física Teórica de la TU Wien.
Pohl estuvo a cargo de la parte teórica del trabajo de investigación que condujo al descubrimiento de un cristal del tiempo en la Universidad de Tsinghua en China: se iluminó con luz láser un recipiente de vidrio lleno de un gas de átomos de rubidio. Se midió la intensidad de la señal luminosa que llegaba al otro extremo del contenedor.
"En realidad se trata de un experimento estático en el que no se impone ningún ritmo específico al sistema", afirma Pohl. "Las interacciones entre la luz y los átomos son siempre las mismas, el rayo láser tiene una intensidad constante. Pero, sorprendentemente, resultó que la intensidad que llega al otro extremo de la celda de vidrio comienza a oscilar en patrones muy regulares".
Átomos gigantes
La clave del experimento fue preparar los átomos de una manera especial: los electrones de un átomo pueden orbitar el núcleo en diferentes caminos, dependiendo de cuánta energía tengan. Si se agrega energía al electrón más externo de un átomo, su distancia del núcleo atómico puede llegar a ser muy grande.
En casos extremos, puede estar varios cientos de veces más lejos del núcleo de lo habitual. De esta manera se crean átomos con una capa electrónica gigante: los llamados átomos de Rydberg.
"Si los átomos de nuestro recipiente de vidrio se preparan en estados de Rydberg y su diámetro se vuelve enorme, las fuerzas entre estos átomos también se vuelven muy grandes", explica Pohl.
"Y eso a su vez cambia la forma en que interactúan con el láser. Si eliges la luz láser de tal manera que pueda excitar dos estados de Rydberg diferentes en cada átomo al mismo tiempo, entonces se genera un circuito de retroalimentación que causa oscilaciones espontáneas entre los dos estados atómicos, esto a su vez también conduce a una absorción de luz oscilante".
Por sí solos, los átomos gigantes marcan un latido regular, y este latido se traduce en el ritmo de la intensidad de la luz que llega al final del recipiente de vidrio.
"Hemos creado aquí un nuevo sistema que proporciona una poderosa plataforma para profundizar nuestra comprensión del fenómeno del cristal del tiempo de una manera que se acerca mucho a la idea original de Frank Wilczek", dice Pohl.
"Para los sensores se podrían utilizar, por ejemplo, oscilaciones precisas y autosostenidas. Los átomos gigantes con estados de Rydberg ya se han utilizado con éxito para este tipo de técnicas en otros contextos".
