oscilador armónico

Un pulso láser se clava en el cristal de Ca0.4Sr0.6CuO2 y, dentro de las cadenas de átomos de cobre y oxígeno, comienza un baile que dura menos de una millonésima de nanosegundo.

El agua confinada entre dos cilindros, cuando el interno gira, primero fluye en capas uniformes. Pero en cuanto la velocidad supera cierto límite, las capas se pliegan en anillos, como una pila de rosquillas. Los físicos llaman a esto vórtices de Taylor: el flujo pierde estabilidad y aparece un patrón regular.

Un millón de órbitas, la misma partitura. Nueve halos de materia oscura, nueve orquestas sin director. Todos los músicos tocan las mismas notas, pero en cada sala la música suena distinta: en unas, con armonía; en otras, con desfases. Así, las galaxias satélite que caen en el halo de su anfitrión siguen órbitas que dependen no solo de la masa, sino también de la forma del escenario invisible.

Un espejo que vuela a casi cuarenta mil kilómetros por segundo. La luz que incide sobre él rebota, pero ya no es la misma: como una pelota que es devuelta por una raqueta en movimiento. Ese espejo es lo que los científicos han construido dentro de una finísima hebra de vidrio rellena de hidrógeno.

Un detector cuántico es como un péndulo sensible suspendido en el espacio vacío. Si una onda gravitatoria abrupta pasa cerca, uno esperaría que el péndulo se balanceara. Pero el cálculo muestra algo distinto: la onda no lo agita, sino que amortigua las oscilaciones ya existentes.

El campo de luz, como una gofrera cuidadosa, imprime en el espacio un patrón regular de zonas brillantes y oscuras. En los puntos más luminosos, como en pequeños hoyuelos, quedan atrapados los átomos: se forma una red óptica. Es la herramienta favorita de los físicos cuando quieren estudiar el comportamiento cuántico de la materia en estado puro.

Una cuerda de guitarra pulsada exactamente en el centro solo produce armónicos impares. La misma prohibición se aplica en cristales simétricos: cuando la luz arranca electrones, la radiación resultante contiene solo armónicos impares. Pero los físicos han encontrado una manera de eludir esta restricción. Y sin mover un solo átomo.

Una cuerda de guitarra pulsada exactamente en el centro solo produce armónicos impares. La misma prohibición se aplica en cristales simétricos: cuando la luz arranca electrones, la radiación resultante contiene solo armónicos impares. Pero los físicos han encontrado una manera de eludir esta restricción. Y sin mover un solo átomo.

Un automóvil con un solo ajuste de suspensión para todas las ruedas: en asfalto liso va suave, pero en camino de tierra tiembla. Así están hechas aproximadamente las modernas simulaciones computacionales de fluidos y gases: todas las perturbaciones, desde grandes remolinos hasta pequeñas ondulaciones, se calman con un único "freno".

El robot malabarista atrapa y lanza pelotas al ritmo exacto de un humano, como dos púlsares que emiten pulsos al unísono. Hacer malabares con tres pelotas es una cascada clásica que sigue un compás definido, similar a la rotación uniforme de un faro cósmico. Si rompes el ritmo, el patrón se desmorona.

Durante más de un siglo, los astrónomos se han devanado los sesos con el caprichoso comportamiento de las estrellas de tipo RR Lyrae: su brillo crece y decrece periódicamente con una amplitud impredecible, como un faro con un mecanismo estropeado. El efecto Blazhko, descubierto en 1907, desafió a los científicos durante décadas.

En 1984, el mundo de la cristalografía dio un vuelco: en una aleación de aluminio y manganeso se descubrieron picos de difracción nítidos con simetría de orden cinco, como si la naturaleza se burlara de los teoremas estrictos que prohibían que los patrones repetitivos tuvieran ejes 5, 8, 10 o 12.

La luz que viaja por una guía de ondas a veces cae en una trampa. En estructuras especiales —las bandas planas— se congela en su lugar: la onda no se dispersa, sino que permanece en unos pocos canales vecinos, como un resorte comprimido. Una banda plana es un rango de energías donde la velocidad de la luz cae a cero.

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.

En los cristales, nos fascina el orden espacial perfecto: los átomos quietos en los nodos de la red, como cuentas en un hilo invisible. Pero, ¿y si esa misma simetría se manifestara en el tiempo? Los cristales temporales son sistemas que, sin ayuda externa, comienzan a repetir sus estados cíclicamente, como relojes a los que da cuerda la propia naturaleza.

Dos nadadores sincronizados se lanzan al mar. Uno llega a una zona en calma, el otro a un remolino. Sus movimientos, perfectamente coordinados al inicio, divergen. Algo similar ocurre con dos partículas cuánticas cuando una se mueve en un espacio plano y la otra en uno curvado.

Una orquesta sin director, donde los músicos se escuchan entre sí a través de una pared común. Así funciona aproximadamente el nuevo tipo de láser: varios átomos (emisores) se colocan a lo largo de una guía de ondas, una delgada pista para la luz en un chip. La luz de cada átomo viaja por esa pista e influye en los vecinos.

La radiación de fondo de microondas es la primera luz que logró atravesar la densa niebla del universo temprano. Su espectro, como una partitura congelada de una sinfonía cósmica, guarda las minúsculas fluctuaciones de densidad a partir de las cuales surgieron las galaxias.

En el nuevo modelo, cada partícula activa tiene un ritmo interno: gira hacia la izquierda o hacia la derecha. La quiralidad es la propiedad clave: unas giran en sentido horario, otras en sentido antihorario. Pero cuando una partícula choca con un obstáculo o con una vecina, conmuta su rotación, como un patinador que, tras tocar el borde, estalla en una pirueta inversa.

Mil partículas entran en una danza de gradiente. Cada una siente atracción hacia la región de alta probabilidad y repulsión de sus vecinas, para no amontonarse.

En un mundo que tiende al caos, a veces nace un ritmo. La reacción química de Beloúsov-Zhabotinski ha fascinado durante décadas: en un tubo de ensayo, ondas de colores se propagan por sí solas, como un organismo vivo que respira materia.

Dos soles muertos giran en un baile eterno. Su órbita es un metrónomo perfecto que mide el tiempo con la precisión de un reloj atómico. Pero incluso las estrellas muertas pueden temblar.

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.

Una cuerda suena perfectamente limpia hasta que una corriente de aire la roza. Más o menos así funciona el láser superradiant: un haz de átomos, previamente cargados de energía, atraviesa una habitación de dos espejos — el resonador óptico (una trampa donde la luz rebota de un lado a otro).

El sistema político se puede imaginar como una enorme galaxia. Los partidos son estrellas, y los partidarios son materia oscura, invisible pero que sostiene toda la estructura. El ánimo de esta masa fluctúa: se condensa en un apoyo ferviente o se disipa en una fría decepción.

Los electrones en un cristal recuerdan a los coches en las calles de una ciudad: unos circulan a toda velocidad por las avenidas, otros se quedan atascados en atascos. En algunas redes, el movimiento se congela por completo: la velocidad deja de depender de la energía y los electrones se vuelven «planos». No es un atasco, sino un ritmo especial de la red, donde las ondas se cancelan entre sí.

La inflación es la expansión ultrarrápida del universo en sus primeros instantes. La provocó un campo similar a una bola que rueda cuesta abajo. Pero junto a él podría haber habido una segunda bolita, casi imperceptible.

Los relojes más precisos de hoy miden el tiempo a partir de las oscilaciones de los electrones en los átomos. Pero su marcha puede alterarse, como un resorte de un reloj mecánico se desajusta con los golpes. Los físicos han encontrado un péndulo más fiable: el núcleo atómico.

Ya Jocelyn Bell Burnell, quien registró por primera vez la estricta periodicidad de las señales de radio, notó que algunos pulsos desaparecían repentinamente. Hoy sabemos que la variabilidad no es un capricho, sino la voz de una electrodinámica compleja.

Una orquesta sin director: cada músico solo escucha al vecino y se retrasa o se adelanta un poco. En los relojes atómicos ordinarios ocurre algo parecido: los átomos oscilan, pero su ritmo se desajusta debido al temblor térmico, y la precisión del tictac queda limitada. Sin embargo, un grupo de físicos ha logrado convertir este defecto en una virtud.

Los metrónomos que todos conocemos, si se colocan sobre una base móvil, con el tiempo acaban balanceándose al unísono. En el mundo cuántico, este truco fue esquivo durante mucho tiempo.

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.

Un cristal de tiempo se asemeja a un reloj eterno: sus átomos realizan movimientos rítmicos por sí mismos. En un reloj normal, un resorte o una pila empuja el péndulo, pero aquí el movimiento surge sin aporte de energía: el sistema simplemente vuelve a su estado inicial a intervalos regulares. Esta idea fue propuesta por Frank Wilczek en 2012.

Un columpio puede balancearse con fuerza o apenas perceptiblemente. Por lo general, si no lo tocas, permanece en el modo elegido. Pero en el micromundo todo es diferente: una membrana diminuta que oscila bajo la acción de un rayo láser puede saltar espontáneamente de una amplitud a otra.

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 átomo es como un director, y la luz en el resonador, una orquesta. El intercambio de energía entre ellos, conocido como interacción Jaynes-Cummings (parte del Modelo Estándar), permite que el átomo, con movimientos de 'batuta', cambie el ritmo y el timbre de las oscilaciones.

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.

El péndulo oscila con tal precisión que, si hubiera estado contando los segundos desde el Big Bang, hoy se habría desviado solo medio segundo. Esa es la estabilidad del nuevo láser ultravioleta portátil, el corazón de los relojes atómicos de aluminio.

En los sótanos de cuatro institutos europeos había siete dispositivos, cada uno comparable a un diapasón de precisión inimaginable. Solo que en lugar de sonido, emiten un «tictac» de luz: oscilaciones de un láser confinado a una frecuencia específica por átomos de espectroscopía de estroncio, iterbio o mercurio.