Crean un cristal de tiempo continuo que impulsará las tecnologías cuánticas

Un cristal de tiempo ultrarrobusto, cuya vida dura diez millones de veces más que la de los conseguidos hasta ahora, puede prolongar su existencia durante periodos de tiempo más largos y ser aprovechado para innovadoras tecnologías cuánticas.

Los cristales son estructuras que se caracterizan por tener un orden espacial periódico, es decir, que se repiten en el espacio de forma regular. Por ejemplo, los cristales de sal o de azúcar tienen una forma cúbica que se debe a la disposición de sus átomos.

Sin embargo, también existen estructuras que tienen un orden temporal periódico, es decir, que se repiten en el tiempo de forma regular.  Esta es la idea que subyace al concepto de cristal de tiempo, un estado de la materia que rompe la simetría de traslación temporal.

No equilibrio perpetuo

Un cristal de tiempo es un sistema que oscila de forma periódica en el tiempo, pero sin consumir energía. Es decir, que se mantiene en un estado de no equilibrio perpetuo. Esto parece contradecir el segundo principio de la termodinámica, que establece que la entropía de un sistema aislado tiende a aumentar y alcanzar un estado de equilibrio.

Sin embargo, un cristal de tiempo no viola este principio, ya que se trata de un sistema cuántico que está sometido a un campo externo que lo perturba periódicamente, lo que se conoce como "impulso".

Este impulso evita que el sistema se relaje y hace que oscile a una frecuencia diferente a la del campo externo, lo que se llama "subarmónico". El resultado es un sistema que muestra un orden temporal a largo plazo.

Historia progresiva

El concepto de cristal de tiempo fue propuesto teóricamente por el físico y premio Nobel Frank Wilczek en 2012, pero no fue hasta 2016 que se logró crear el primer cristal de tiempo en el laboratorio, utilizando una cadena de iones de iterbio. Y no fue hasta 2021 que un ordenador cuántico confirmó que los cristales de tiempo eran una nueva fase de la materia.

A lo largo de todo este tiempo, se han realizado diferentes experimentos con diferentes sistemas, como diamantes con impurezas de nitrógeno, pero todos ellos han tropezado con el problema de que el orden temporal se perdía al cabo de un tiempo debido a las imperfecciones y el ruido. Por eso, el objetivo de los investigadores era crear un cristal de tiempo más robusto y duradero.

Mejor que mejor

Un equipo de físicos de la Universidad Técnica de Dortmund, en Alemania, ha conseguido ahora este hito en un material semiconductor, al generar un cristal de tiempo ultrarrobusto que vive millones de veces más que los anteriores.

El sistema que han utilizado es una capa de arseniuro de indio y galio, en la que los espines nucleares de los átomos de indio actúan como una batería para el cristal de tiempo.

El cristal se ilumina continuamente de modo que se forma una polarización del espín nuclear mediante la interacción con los espines de los electrones. Y es precisamente esta polarización del espín nuclear la que genera espontáneamente oscilaciones, equivalentes a un cristal de tiempo, explican los investigadores.

La vida útil de este cristal de tiempo es de al menos 40 minutos, diez millones de veces más de lo que se ha demostrado hasta ahora, y potencialmente podría vivir mucho más.

Cristal de tiempo continuo

Además, según los investigadores es posible variar el período de duración del cristal en amplios rangos cambiando sistemáticamente las condiciones experimentales.

También es posible desplazarse hacia zonas donde el cristal se “derrite”, es decir, pierde su periodicidad. Estas zonas también son interesantes, ya que entonces se manifiesta un comportamiento caótico, que puede mantenerse durante largos períodos de tiempo, añaden los autores de este trabajo.

El equipo utiliza el término “cristal de tiempo continuo” (CTC) en lugar de “cristal de tiempo” a secas, para distinguirlo de otros tipos de cristales de tiempo que no duran tanto.

El experimento ha demostrado asimismo que el orden temporal es independiente de las propiedades específicas de cada elemento. Además, este cristal de tiempo es capaz de resistir perturbaciones externas, como variaciones de temperatura o de presión, lo que demuestra su alta robustez.

Importantes implicaciones

El descubrimiento de este nuevo estado de la materia tiene importantes implicaciones para la física fundamental, ya que abre la puerta a explorar la naturaleza del tiempo y la termodinámica en el ámbito cuántico.

Asimismo, tiene potenciales aplicaciones para la tecnología cuántica, ya que los cristales de tiempo podrían utilizarse como relojes cuánticos más precisos y fiables, o como unidades de almacenamiento de información cuántica (cúbits) más estables y duraderas.

Referencia

Robust continuous time crystal in an electron–nuclear spin system. A. Greilich et al. Nature Physics (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-023-02351-6