Dos cristales de tiempo se han enlazado con éxito por primera vez

Los físicos acaban de dar un paso asombroso hacia dispositivos cuánticos que suenan como algo salido de la ciencia ficción.

Por primera vez, grupos aislados de partículas que se comportan como estados extraños de la materia conocidos como cristales de tiempo se han vinculado en un solo sistema en evolución que podría ser increíblemente útil en la computación cuántica.

Tras la primera observación de la interacción entre dos cristales de tiempo, detallada en un artículo hace dos años, este es el siguiente paso hacia el aprovechamiento potencial de los cristales de tiempo con fines prácticos, como el procesamiento de información cuántica.

Los cristales de tiempo, descubiertos y confirmados oficialmente hace unos años en 2016, alguna vez se pensó que eran físicamente imposibles. Son una fase de la materia muy similar a los cristales normales, pero por una propiedad adicional, peculiar y muy especial.

En los cristales regulares, los átomos están dispuestos en una estructura de rejilla tridimensional fija, como la red atómica de un diamante o un cristal de cuarzo. Estas redes repetitivas pueden diferir en su configuración, pero cualquier movimiento que muestren proviene exclusivamente de empujones externos.

En los cristales de tiempo, los átomos se comportan un poco diferente. Exhiben patrones de movimiento en el tiempo que no pueden explicarse tan fácilmente por un empujón o empujón externo. Estas oscilaciones, denominadas ‘tic-tac’, están bloqueadas en una frecuencia regular y particular.

Teóricamente, los cristales de tiempo funcionan en su estado de energía más bajo posible, conocido como estado fundamental, y por lo tanto son estables y coherentes durante largos períodos de tiempo. Entonces, donde la estructura de los cristales regulares se repite en el espacio, en los cristales de tiempo se repite en el espacio y el tiempo, exhibiendo así un estado de movimiento perpetuo.

“Todo el mundo sabe que las máquinas de movimiento perpetuo son imposibles”, dice el físico y autor principal Samuli Autti de la Universidad de Lancaster en el Reino Unido.

“Sin embargo, en la física cuántica el movimiento perpetuo está bien siempre y cuando mantengamos los ojos cerrados. Al colarnos por esta grieta podemos hacer cristales de tiempo”.

Los cristales de tiempo con los que ha estado trabajando el equipo consisten en cuasipartículas llamadas magnones. Los magnones no son partículas verdaderas, sino que consisten en una excitación colectiva del espín de los electrones, como una onda que se propaga a través de una red de espines.

Los magnones emergen cuando el helio-3, un isótopo estable de helio con dos protones pero solo un neutrón, se enfría a una diezmilésima de grado del cero absoluto. Esto crea lo que se llama un superfluido de fase B, un fluido de viscosidad cero con baja presión.

En este medio, los cristales de tiempo se formaron como condensados ​​de Bose-Einstein espacialmente distintos, cada uno compuesto por un billón de cuasipartículas de magnón.

Un condensado de Bose-Einstein se forma a partir de bosones enfriados a solo una fracción por encima del cero absoluto (pero sin llegar al cero absoluto, momento en el que los átomos dejan de moverse).

Esto hace que se hundan a su estado de energía más bajo, moviéndose extremadamente lento y acercándose lo suficiente como para superponerse, produciendo una nube de átomos de alta densidad que actúa como un ‘súper átomo’ u onda de materia.

Cuando se permitió que los dos cristales de tiempo se tocaran, intercambiaron magnones. Este intercambio influyó en la oscilación de cada uno de los cristales de tiempo, creando un solo sistema con la opción de funcionar en dos estados discretos.

En la física cuántica, los objetos que pueden tener más de un estado existen en una combinación de esos estados antes de que hayan sido identificados por una medida clara. Así que tener un cristal de tiempo operando en un sistema de dos estados proporciona nuevas y ricas selecciones como base para las tecnologías basadas en cuántica.

Los cristales de tiempo están muy lejos de implementarse como qubits, ya que hay una cantidad significativa de obstáculos que resolver primero. Pero las piezas están empezando a encajar.

A principios de este año, un equipo diferente de físicos anunció que había creado con éxito cristales de tiempo a temperatura ambiente que no necesitan aislarse de su entorno ambiental.

Será necesario desarrollar aún más las interacciones más sofisticadas entre los cristales de tiempo y el control fino de las mismas, al igual que la observación de los cristales de tiempo que interactúan sin la necesidad de superfluidos enfriados. Pero los científicos son optimistas.

“Resulta que poner dos de ellos juntos funciona muy bien, incluso si los cristales de tiempo no deberían existir en primer lugar”. Autti dice. “Y ya sabemos que también existen a temperatura ambiente”.

La investigación ha sido publicada en Comunicaciones de la naturaleza.

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