cristal de tiempo discreto

Los patrones muaré son familiares para todos. Dos peines con distinto paso, superpuestos, muestran franjas oscuras. Algo similar surgió en el tiempo. Los físicos tomaron una nube de átomos de Rydberg —partículas con órbitas electrónicas excepcionalmente grandes— y la iluminaron con dos láseres.

Una orquesta de miles de millones de átomos de cesio tocó una sola nota, y sonó durante 17 horas sin apagarse. No es hipérbole: físicos chinos crearon un cristal temporal continuo con un tiempo de vida récord. Un cristal temporal es un sistema que rompe la simetría temporal y pulsa espontáneamente con un ritmo inmutable.

El diamante es símbolo de perfección, pero su verdadera magia se revela a través de las imperfecciones. La pureza ideal de la red otorga transparencia y dureza, mientras que los defectos —como los centros de color— abren un portal al mundo cuántico, convirtiéndose en la base de computadoras cuánticas y…

El río del tiempo podría no ser un flujo suave, sino una sucesión de pasos diminutos, como una filmación cuadro a cuadro con una cámara inimaginablemente rápida. En 1964, Y. A. Golfand sugirió que el tiempo no avanza de forma continua, sino a saltos diminutos, y derivó una ecuación que predecía el inevitable aumento del desorden (entropía).

Un péndulo que oscila por sí solo, sin que nadie le dé cuerda: en el mundo cuántico, estos “péndulos” se llaman cristales de tiempo. En ellos, el movimiento rítmico surge espontáneamente y no se desvanece. Pero hasta ahora, controlar ese ritmo era casi imposible: cualquier intervención amenazaba con destruir el frágil orden.

El Universo se expande cada vez más rápido gracias a la energía oscura. Pero las mediciones de la velocidad dan resultados contradictorios. Nueva explicación: en el pasado, la energía oscura actuó como un freno, ralentizando la separación de galaxias, y luego cambió a aceleración.

Los cristales de tiempo son fases cuánticas de la materia que oscilan espontáneamente, como un diapasón con un eco infinitamente prolongado. Si un cristal espacial ordinario repite un patrón atómico en el espacio, rompiendo la simetría traslacional, un cristal temporal muestra periodicidad en el tiempo, rompiendo la simetría traslacional temporal.

Dos partículas cuánticas están unidas por un hilo invisible: una pierde energía, la otra la gana, pero la reserva total no cambia. Si solo seguimos a la primera, sus oscilaciones no se amortiguan: el ritmo es constante, como el de un púlsar cósmico, aunque desde fuera parezca que crece la entropía, el caos.

El péndulo de un reloj antiguo oscila porque un mecanismo de resorte lo empuja regularmente. Ahora imagina un péndulo que decide por sí mismo cuándo balancearse, y lo hace con un ritmo constante, solo porque en la habitación hace calor y hay una ligera corriente de aire.

Un péndulo ordinario oscila con la misma frecuencia con la que se le empuja. Pero en el mundo cuántico se puede crear un sistema que responda al empuje dos, tres o más veces más lento, como si tuviera su propio ritmo. Estos sistemas se denominan cristales de tiempo discretos.

Cuando una sopa caliente se enfría, aparecen grumos en la superficie; de manera similar, el universo temprano, al enfriarse, generaba filamentos de energía: las cuerdas cósmicas. Algunas se asemejan a una goma elástica tensada: mientras está intacta, es estable. Pero si cortas la goma, se rompe.

Un cristal de tiempo es un sistema que pulsa con un ritmo constante, como un metrónomo. Una fila de columpios que se empujan rítmicamente suele moverse al compás. Pero con un ajuste ingenioso, empiezan un ciclo completo cada dos empujones. Esto es un cristal de tiempo discreto.

Una moneda girando sobre una mesa es una imagen que todos conocemos. Primero gira rápido, luego se inclina y su golpeteo se vuelve cada vez más frecuente. En los últimos segundos parece suspenderse: la rotación se ralentiza, pero la moneda no termina de caer. Ese momento final es un verdadero enigma para los físicos.

Forzaron a una nube de átomos de cesio a comportarse como una sola cuerda cuántica. Al iluminarla con un láser y dejar que las partículas interactuaran, los científicos pusieron en marcha oscilaciones autosostenidas: el ritmo surgió sin un director externo. Las ondas de radio actuaron como los trastes en un mástil: se podía cambiar suavemente la frecuencia del sonido.

Un superconductor ordinario funciona como un cable perfecto: los electrones se emparejan y fluyen sin resistencia. En el nuevo material TaPtSi, los pares están organizados de otra manera: su simetría interna está sesgada, y al enfriar por debajo de la temperatura crítica, dentro del cristal surgen por sí solos diminutos campos magnéticos.

Los cristales de tiempo son una fase exótica de la materia que exhibe movimiento periódico no en el espacio, sino en el tiempo, incluso en su estado fundamental, no excitado. Esta idea, que recuerda a un reloj perpetuo que no requiere cuerda, fue propuesta por primera vez por Frank Wilczek.

El agua en un vaso se calma si dejas de removerla. El aceite del motor amortigua las vibraciones. Parece que la viscosidad siempre tiene que ver con la amortiguación. Pero en algunos flujos ocurre lo contrario: añade fricción y las olas empiezan a crecer como de la nada. Los físicos han encontrado una explicación sencilla.

Calienta un reloj de cuarzo común diez grados y empezará a atrasarse segundos por día. Los relojes atómicos son más precisos, pero ocupan un armario entero. Un diamante con un diminuto defecto —la vacancia de nitrógeno— promete la precisión de un reloj atómico en el volumen de un grano de arena.

Los cristales de tiempo pulsan en el tiempo, como un metrónomo eterno que no necesita cuerda. La idea fue propuesta por Frank Wilczek hace casi diez años. Antes, para que ese metrónomo no se desajustara, se introducía deliberadamente desorden en el sistema — una paradoja, pero el caos ayudaba al ritmo.

En el mundo cuántico, el ruido suele destruir el comportamiento ordenado, como si empujones aleatorios apagaran un péndulo. Pero en los procesadores cuánticos de IBM, los físicos descubrieron lo contrario: el ruido estructurado puede prolongar e incluso crear oscilaciones rítmicas. Es como un péndulo que, con empujones desordenados pero internamente coherentes, oscila más fuerte.

Un péndulo recibe un impulso, pero no vuelve a su posición inicial tras un período, sino tras dos. Así se comporta un cristal de tiempo discreto, una fase de la materia que rompe espontáneamente la simetría de traslación temporal discreta y oscila con un período múltiplo del forzamiento externo.

En una cadena de espines fríos extendida a lo largo de una línea, el orden y el desorden pueden entretejerse en un patrón que no se describe con las reglas habituales. Dos estados de la materia, dos "órdenes", están separados por una encrucijada donde los caminos no convergen, sino que divergen.