Los científicos aún se están familiarizando con los entresijos de materiales extraños conocidos como cristales de tiempo; estructuras que zumban con movimiento por la eternidad. Ahora, una nueva variedad podría ayudar a profundizar nuestra comprensión del desconcertante estado de la materia.
Así como los cristales regulares son átomos y moléculas que se repiten en un volumen de espacio, los cristales de tiempo son colecciones de partículas que marcan patrones en un período de tiempo en formas que inicialmente parecen desafiar a la ciencia.
Teorizado en 2012 antes de ser observado en el laboratorio por primera vez solo cuatro años después, los investigadores han estado ocupados jugando con las estructuras para probar fundamentos más profundos de la física de partículas y descubrir aplicaciones potenciales.
En este último estudio, se ha creado un nuevo tipo de cristal de tiempo ‘fotónico’. Operando en frecuencias de microondas, es capaz de ordenar y amplificar ondas electromagnéticas, prometiendo futuras aplicaciones en sistemas de comunicación inalámbrica, desarrollo de láser y circuitos electrónicos.
“En un cristal de tiempo fotónico, los fotones se organizan en un patrón que se repite con el tiempo”. dice el autor principal Xuchen Wang, ingeniero nano del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania.
“Esto significa que los fotones en el cristal están sincronizados y son coherentes, lo que puede provocar una interferencia constructiva y una amplificación de la luz”.
Además, el equipo de investigación descubrió que las ondas electromagnéticas que viajan a lo largo de las superficies podrían amplificarse, así como las ondas del entorno circundante.
En el centro de la investigación se encuentra un enfoque 2D basado en láminas ultrafinas de materiales artificiales conocidas como metasuperficies. Anteriormente, la investigación sobre cristales de tiempo fotónicos se había realizado a través de materiales 3D a granel: fabricar y estudiar estos materiales es muy difícil para los científicos, pero el cambio a 2D significa una ruta más rápida y fácil hacia la experimentación, y para descubrir cómo estos cristales podrían aplicarse en configuraciones del mundo real.
Si bien son más simples que las estructuras 3D completas, comparten algunas características importantes con los cristales de tiempo fotónicos y pueden imitar su comportamiento, incluida la forma en que interactúan con la luz. Es la primera vez que se demuestra que los cristales fotónicos del tiempo amplifican la luz de esta manera particular y en un grado tan significativo.
“Descubrimos que reducir la dimensionalidad de una estructura 3D a una 2D facilitó significativamente la implementación, lo que hizo posible realizar cristales de tiempo fotónicos en la realidad”. dice Wang.
Si bien las aplicaciones del mundo real aún están lejos, el enfoque de usar metasuperficies 2D como una forma de producir y examinar cristales de tiempo fotónicos hará que este tipo de investigación sea mucho más sencillo en el futuro.
El descubrimiento de la amplificación de ondas electromagnéticas a lo largo de las superficies, por ejemplo, podría eventualmente ayudar a mejorar los circuitos integrados que se encuentran en todas partes, desde teléfonos hasta automóviles: la comunicación dentro de estos circuitos sería potencialmente más rápida y fluida.
Luego están las comunicaciones inalámbricas, que pueden sufrir una disminución de la señal con la distancia (razón por la cual es posible que no pueda obtener Wi-Fi en la parte superior de su casa). Recubrir las superficies con cristales de tiempo fotónicos 2D promete mejorar esta situación.
“Cuando una onda de superficie se propaga, sufre pérdidas materiales y la intensidad de la señal se reduce”. dice físico Viktar Asadchy de la Universidad Aalto de Finlandia.
“Con cristales de tiempo fotónicos 2D integrados en el sistema, la onda superficial se puede amplificar y mejorar la eficiencia de la comunicación”.
La investigación ha sido publicada en Avances de la ciencia.