Un cristal de tiempo hecho de átomos gigantes
Investigadores de Austria y China crean un estado de la materia extremadamente exótico. Sus átomos tienen un diámetro cien veces mayor de lo habitual.
Por la Universidad Técnica de Viena
Un cristal es una disposición de átomos que se repite en el espacio, a intervalos regulares: en cada punto, el cristal tiene exactamente el mismo aspecto. En 2012, el Premio Nobel Frank Wilczek planteó la siguiente pregunta: ¿Podría existir también un cristal temporal, un objeto que no se repite en el espacio, sino en el tiempo? ¿Y podría ser posible que surgiera un ritmo periódico, aunque no se impusiera ningún ritmo específico al sistema y la interacción entre las partículas fuera completamente independiente del tiempo?
Durante años, la idea de Wilczek ha causado mucha controversia. Algunos consideraban que los cristales de tiempo eran, en principio, imposibles, mientras que otros intentaban encontrar lagunas y realizar cristales de tiempo en determinadas condiciones especiales. Ahora, la Universidad de Tsinghua (China), con el apoyo de la Universidad Técnica de Viena (Austria), ha conseguido crear un tipo de cristal temporal especialmente espectacular.
El equipo utilizó luz láser y unos tipos de átomos muy especiales, los llamados átomos de Rydberg, con un diámetro varios cientos de veces mayor de lo normal. Los átomos de Rydberg son átomos en estados electrónicos muy excitados, donde uno o más electrones están en órbitas de gran tamaño alrededor del núcleo. Estos electrones están en niveles energéticos muy altos, típicamente mucho más altos que los niveles fundamentales o incluso los primeros estados excitados de un átomo.
Los resultados del estudio se han publicado en la revista Nature Physics.
Rotura espontánea de la simetría
El tictac de un reloj es también un ejemplo de un movimiento temporalmente periódico. Sin embargo, no sucede por sí solo: alguien debe haber dado cuerda al reloj y haberlo puesto en marcha a una hora determinada. Esta hora 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 hay diferencia física entre distintos puntos en el tiempo.
"La frecuencia de los tics está predeterminada por las propiedades físicas del sistema, pero los momentos en los que se produce el tick son completamente aleatorios; esto se conoce como ruptura espontánea de la simetría", explica el profesor Thomas Pohl, del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena (Austria).
Pohl se encargó de la parte teórica del trabajo de investigación que ahora ha llevado al descubrimiento de un cristal de tiempo en la Universidad de Tsinghua (China): la luz láser brilló en un recipiente de vidrio lleno de un gas de átomos de rubidio. Se midió la fuerza 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 —explica Thomas Pohl. Y añade—: 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 célula de vidrio empieza a oscilar siguiendo patrones muy regulares".
Átomos gigantes
La clave del experimento fue preparar los átomos de una forma especial: los electrones de un átomo pueden orbitar alrededor del núcleo siguiendo diferentes caminos, dependiendo de la cantidad de energía que tengan. Si se añade energía al electrón más externo de un átomo, su distancia al 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 este modo, se crean átomos con una capa de electrones gigante, los citados átomos de Rydberg.
Imagen conceptual de un cristal de tiempo, generada con DALL-E
"Si los átomos de nuestro recipiente de vidrio se preparan en dichos estados de Rydberg y su diámetro se hace enorme, entonces las fuerzas entre estos átomos también se hacen muy grandes —explica Pohl. "Y eso, a su vez, cambia la forma en que interactúan con el láser. Si se elige la luz láser de forma que pueda excitar dos estados de Rydberg diferentes en cada átomo al mismo tiempo, se genera un bucle de retroalimentación que provoca oscilaciones espontáneas entre los dos estados atómicos. Esto, a su vez, también conduce a la absorción oscilante de la luz".
Por sí solos, los átomos gigantes tropiezan con un ritmo regular, y este ritmo se traduce en el ritmo de la intensidad luminosa que llega al final del recipiente de cristal.
"Hemos creado aquí un nuevo sistema que proporciona una potente plataforma para profundizar en nuestra comprensión del fenómeno del cristal de tiempo de una forma que se acerca mucho a la idea original de Frank Wilczek —explica Pohl. Y añade —: Las oscilaciones precisas y autosostenidas podrían utilizarse, por ejemplo, para sensores. Los átomos gigantes con estados Rydberg ya se han utilizado con éxito para este tipo de técnicas en otros contextos". ▪️
Información facilitada por la Universidad Técnica de Viena -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Wu, X., Wang, Z., Yang, F. et al. Dissipative time crystal in a strongly interacting Rydberg gas. Nature Physics (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-024-02542-9
