Un cubo de hielo, tal como lo conocemos generalmente, es un cristal, cuyas moléculas de agua están ordenadas de forma ordenada en una red hexagonal. Al fundirse, este orden se disuelve, y la disposición cristalina de largo alcance da paso a un caos fluido. Sin embargo, incluso en este aparente desorden, las moléculas conservan cierta estructura, interactuando con sus vecinas inmediatas.
Se trata de una disposición espacial. Pero ¿qué pasaría si algo similar pudiera ocurrir con un cristal cuya estructura existe no solo en el espacio, sino también en el tiempo?
Si un fenómeno conocido como cristal de tiempo pudiera derretirse del mismo modo que un cubo de hielo, podría dar lugar a un estado de la materia conocido como líquido de tiempo, uno que conserva el orden temporal de corto alcance incluso mientras su coherencia de largo alcance se disuelve. Si se demuestra experimentalmente, el líquido temporal podría ofrecer a los físicos una nueva forma de investigar cómo responde la materia a las fluctuaciones de su entorno, y cómo puede surgir el orden a partir de lo que debería ser desorden, incluso cuando las reglas habituales que rigen los cristales temporales ya no se aplican.
“El aspecto más llamativo de los líquidos de tiempo discreto, tanto cuánticos como clásicos, es la idea de que un cristal de tiempo discreto con una densidad finita de defectos topológicos temporales puede restaurar la simetría de traslación temporal en promedio”, escriben los físicos liderados por Zuo Wang y Marios H. Michael del Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Alemania.
Sus hallazgos, que aún no han sido revisados por pares, se han subido al servidor de preimpresiones arXiv. Los cristales de tiempo son uno de los fenómenos más fascinantes de la física moderna.
Imagínate el cubo de hielo en tu cabeza: si pudieras reducirlo a la escala molecular y observarlo, su estructura se asemejaría a un gimnasio hexagonal, con el patrón repitiéndose en el espacio tridimensional.
Un cristal de tiempo lleva esta idea una dimensión más allá: en lugar de simplemente repetir un patrón en el espacio, repite un patrón de comportamiento a través del tiempo.
Los investigadores basaron su trabajo en los principios de un tipo de cristal de tiempo llamado cristal de tiempo discreto. El patrón repetitivo de un cristal de tiempo discreto no se limita a las oscilaciones normales de los átomos; es impulsado por una fuente externa, como un láser, pero con un ritmo distinto. Imagina un latido del cristal por cada dos latidos de la fuente. Ese ritmo cristalino es realmente sólido; no se desestabiliza fácilmente por pequeñas perturbaciones.
Pero ¿qué ocurre cuando la fuerza impulsora en sí misma es inestable? ¿Cuando, en lugar de un ritmo constante, el cristal se ve sometido a un ritmo que fluctúa de forma impredecible?
Esto es lo que Wang y sus colegas querían investigar, y esto va a resultar un poco complicado conceptualmente, así que ten paciencia. Los investigadores desarrollaron un modelo teórico que consiste en una red bidimensional de espines que interactúan entre sí; imagína una lámina con una cuadrícula ordenada de diminutas flechas magnéticas, como las agujas de una brújula.
Esta red se acopló a una cavidad electromagnética. Imagína colocar la hoja de flechas en una cámara hueca, como una campana, que contiene un campo electromagnético.
Ahora imagina que, en lugar de golpear la campana con un martillo, la calientas. Las fluctuaciones térmicas aleatorias provocan que el campo electromagnético oscile, y esas oscilaciones influyen en las flechas, animándolas a girar e interactuar con las vecinas. Debido a que la cavidad tiene una frecuencia de resonancia natural, las fluctuaciones producen un ritmo aproximado, aunque nadie esté marcando el tiempo deliberadamente.
La hoja de flechas es el sistema que puede exhibir un comportamiento cristalino en el tiempo. El campo electromagnético fluctuante es su motor.
Y cuando los investigadores realizaron sus simulaciones, surgió algo sorprendente. En las condiciones adecuadas, los espines comenzaron a girar a la mitad de la frecuencia de la cavidad, a pesar de que las fluctuaciones que los impulsaban distaban mucho de ser regulares.
Pero no era como un cristal de tiempo discreto normal. Aunque los giros mantuvieron su ritmo característico en general, ocasionalmente se desincronizaron, alternando entre dos versiones equivalentes de su patrón repetitivo.
Los investigadores denominan a estas interrupciones solitones temporales: defectos en el orden temporal que alteran la coherencia a largo plazo sin destruir el ritmo subyacente.
Hemos montado un laboratorio imaginario de lo más peculiar, pero ten un poco más de paciencia. Ya casi llegamos al líquido. Aquí es donde volvemos a nuestro cubo de hielo que se derrite.
Del mismo modo que el agua líquida conserva cierta estructura local incluso después de que se haya roto el orden de largo alcance de su red cristalina, los espines simulados conservaron un orden temporal de corto alcance incluso cuando la coherencia de largo alcance se disolvió. Este es el estado que los investigadores denominaron líquido de tiempo discreto.
Y aquí viene otro giro inesperado: las fluctuaciones térmicas no solo perturbaban los giros, sino que también eran las responsables de generar su patrón ordenado.
A bajas temperaturas, las fluctuaciones eran demasiado débiles para producir el patrón repetitivo característico. A temperaturas intermedias, los giros se adaptaron a su ritmo. Y a altas temperaturas, las fluctuaciones se volvieron tan fuertes que el orden se rompió por completo. Es como el cuento de Ricitos de Oro, que solo consigue que nuestro peculiar laboratorio esté un poco más desordenado. Lo que esto significa es que añadir calor podría, de hecho, crear orden, pero solo hasta cierto punto.
¿Por qué querría alguien preparar el equivalente físico de unas gachas servidas en una campana al rojo vivo y sazonadas con agujas de brújula y cubitos de hielo?
Bueno, una de las razones tiene que ver con algo llamado simetría de traslación temporal: el principio de que las leyes de la física funcionan de la misma manera independientemente del momento en que se observen, incluso si los fenómenos que rigen esas leyes se comportan de manera diferente con el tiempo. Un cristal de tiempo rompe esa simetría al establecer un patrón repetitivo que distingue momentos particulares de otros.
Pero en el líquido temporal simulado, los cambios ocasionales entre diferentes versiones del ritmo implican que, en promedio, esas distinciones pueden desaparecer. El sistema conserva un orden temporal local sin mantener un patrón coherente de forma indefinida.
Esto plantea la posibilidad de que pueda existir un líquido temporal incluso en equilibrio térmico, un estado en el que no se espera que se formen cristales temporales convencionales. Por ahora, todo esto sigue siendo puramente teórico. Los investigadores aún no han logrado realizar experimentalmente esta extraña mezcla, aunque han esbozado algunas posibilidades y posibles limitaciones.
Cuando se propuso por primera vez la idea del cristal de tiempo, muchos físicos pensaron que era imposible, por lo que aún podríamos ver un líquido de tiempo. Y, si lo hacemos, revelará algo nuevo sobre la extraña relación entre el orden y el caos.
La investigación está disponible en el servidor de preimpresiones arXiv.
Fuente: Science Alert.
