Dr. José Manuel Nieto Jalil
Director del Departamento Regional de Ciencias en la Región Centro-Sur Tecnológico de Monterrey Campus Puebla
En 2012, el físico teórico Frank Wilczek –estadounidense de origen polaco e italiano, galardonado con el premio Nobel de Física (2004) y profesor del Instituto de Tecnología de Massachusetts– propuso por primera vez, en un artículo, que ciertas interacciones cuánticas podrían dar lugar a materiales que exhiben simetría temporal fractal.
Desde entonces, varios físicos teóricos han explorado la idea de los cristales de tiempo y han desarrollado modelos matemáticos para predecir su comportamiento. Entre ellos se encuentran Xiangdong Zhang, Zheng-Cheng Gu, Ashvin Vishwanath, Vedika Khemani, Norman Yao y más.
Los cristales de tiempo son un concepto teórico en física que se refiere a un tipo de materiales que exhiben una propiedad de simetría temporal fractal. Esto significa que su estructura se repite en el tiempo a intervalos regulares, en lugar de ser una repetición periódica como ocurre en los cristales ordinarios.
La idea de los cristales de tiempo se basa en la teoría de la mecánica cuántica y en la noción de entrelazamiento cuántico. Se cree que estos materiales podrían tener aplicaciones en la computación cuántica y en la creación de relojes de alta precisión.
Los cristales de tiempo extienden la simetría tridimensional ordinaria vista en los cristales para incluir la cuarta dimensión del tiempo; un cristal de tiempo rompe espontáneamente la simetría de traslación en el tiempo. El patrón del cristal no se repite en el espacio, sino en el tiempo, lo que permite notablemente que el cristal esté en movimiento perpetuo.
Su postulado generó grandes discusiones entre los físicos ya que, en teoría, esas raras estructuras cristalinas que se repiten en el tiempo, y no en el espacio, tendrían la capacidad del movimiento perpetuo, ya que se desplazarían continuamente en una órbita circular, incluso en su estado de mínima energía o estado fundamental (es decir, lo más frío posible) y, sobre todo, por el hecho conocido de que ningún objeto que se encuentre en ese estado fundamental dispone de suficiente energía para moverse en lo más mínimo.
En 2015, los físicos teóricos Haruki Watanabe y Masaki Oshikawa, ambos ahora en la Universidad de Tokio, formularon que los cristales de tiempo eran imposibles, ya que el estado de energía más bajo de un sistema aislado tenía que ser estático.
Cuatro años más tarde de la postulación de los cristales de tiempo, en 2016, un equipo de investigadores de la Universidad de California, en Santa Bárbara, y la Estación Q de Microsoft (laboratorio de investigación que el gigante tecnológico tiene junto al campus de esa misma Universidad) presentaron una propuesta concreta que permitiría crear cristales de tiempo en el ambiente de laboratorio, los científicos lidereados por el físico Norman Yao afirmaron que los cristales de tiempo podían ser una realidad física, por lo que podrían existir en la naturaleza y no sólo como teoría matemática. Sus resultados fueron publicados en Physical Review Letters.
Un año después, los esquemas de Yao fueron utilizados por dos equipos de físicos, uno de la Universidad de Harvard, dirigido por Mikhail Lukin, y otro del Joint Quantum Institute de la Universidad de Maryland, dirigido por Christopher Monroe. Ellos conseguirían, por primera vez y de forma independiente, crear cristales de tiempo en sus laboratorios y confirmar así experimentalmente la existencia de esas extraordinarias estructuras.
Finalmente, en 2017, Nature, una de las publicaciones científicas más prestigiosas del mundo, mostró en su último número uno de esos dos estudios, el de la Universidad de Maryland, avalando así el nacimiento de toda una nueva rama de la física y dando carta de identidad a algo que hasta hace apenas un año se consideraba una mera especulación. La creación de cristales de tiempo nos conduce hacia formas aún inexploradas de la materia y abre las puertas a una realidad que, hasta hace poco, se consideraba poco más que un juego matemático.
Para comprender mejor qué son los cristales de tiempo, veamos primero que los cristales convencionales, como la sal, el cuarzo, los copos de nieve o los diamantes, tienen sus átomos ordenados en patrones muy estables y que se repiten una y otra vez en las tres dimensiones espaciales. En los cristales de tiempo, sin embargo, los átomos también se mueven siguiendo un patrón que se repite, aunque lo hace en el tiempo, y no en el espacio.
Por lo general, cuando un material está en su estado fundamental (estado de mínima energía, también conocido como energía de punto cero de un sistema) su movimiento es imposible, porque eso requeriría un gasto de energía de la que ese sistema ya no dispone; sin embargo, para un cristal de tiempo los átomos nunca se acomodan en su estado fundamental, cosa que sí hacen los átomos de los cristales convencionales. Lo más perturbador es que esa oscilación cíclica y repetida tiene lugar una y otra vez, sin necesidad de utilizar energía alguna.
Es importante destacar que, dada la complejidad del problema, otros investigadores lograron demostrar un teorema en el cual los cristales de tiempo, tal y como habían sido presentados inicialmente, eran imposibles, por lo que reemplazaron su definición con otra mucho menos atrevida, según la cual, después de todo, un cristal de tiempo no violaba ninguna simetría fundamental de la naturaleza.
En 2019, Valerii Kozin y Oleksandr Kyriienko, dos físicos teóricos de las universidades de Islandia, en Reikiavik, y de Exeter, en Inglaterra, acaban de demostrar que la noción original de cristal de tiempo es la más válida. Su trabajo fue publicado en la revista Physical Review Letters.
Finalmente, uno de los logros más importantes obtenido en el campo de los cristales de tiempo fue la observación de la interacción entre dos de ellos. El resultado, publicado este año en Nature Materials, puede dar lugar a aplicaciones en el procesamiento de información cuántica, porque los cristales de tiempo permanecen automáticamente intactos, coherentes, en diferentes condiciones. Proteger la coherencia es la principal dificultad que obstaculiza el desarrollo de potentes ordenadores cuánticos.
El control de la interacción de dos cristales de tiempo es un logro importantísimo y podrían explotarse para respaldar la llamada coherencia cuántica, que falla cuando un sistema cuántico interactúa con el entorno externo, que es una de las razones por las cuales todavía no tenemos una computadora cuántica real o al menos una que pueda superar en eficiencia a los superordenadores tradicionales. Adicionalmente, podrían usarse también para mejorar la tecnología actual de los relojes atómicos: relojes complejos que mantienen la hora más precisa que podamos lograr. También podrían mejorar tecnologías como los giroscopios y los sistemas que dependen de relojes atómicos, como el GPS.
