El cristal que puede doblar el tiempo

El átomo de Rydberg contiene un electrón alejado del núcleo. Crédito de la imagen: Universidad Tecnológica de Viena.

Los investigadores han logrado crear un estado muy extraño de la materia, en el que el diámetro de sus átomos es cien veces mayor que su diámetro normal.

Los cristales de tiempo, propuestos por el premio Nobel Frank Wilczek en 2012, se han creado con éxito utilizando átomos de Rydberg y luz láser en la Universidad de Tsinghua en China, con el apoyo teórico de la Universidad Tecnológica de Viena en Austria. Este nuevo estado de la materia no se replica en el espacio como los cristales tradicionales, sino en el tiempo, exhibiendo ritmos periódicos espontáneos sin estímulo externo, un fenómeno conocido como ruptura espontánea de simetría.

Un cristal es una disposición de átomos que se repiten en el espacio, a intervalos regulares: en cada punto, el cristal parece exactamente igual. En 2012, el premio Nobel Frank Wilczek planteó la pregunta: ¿podría haber también un cristal del tiempo, un objeto que se repita no en el espacio sino en el tiempo? ¿Es posible que surja un ritmo periódico, incluso si no se impone ningún ritmo específico al sistema y la interacción entre partículas es completamente independiente del tiempo?

La idea de Frank Wilczek ha suscitado durante años mucha controversia. Algunos consideraban que los cristales de tiempo eran imposibles en principio, mientras que otros intentaron encontrar lagunas y conseguir cristales de tiempo bajo ciertas condiciones especiales. Ahora, se ha creado con éxito un tipo de cristal del tiempo particularmente sorprendente en la Universidad de Tsinghua en China, con el apoyo de la Universidad Tecnológica de Viena en Austria. El equipo utilizó luz láser y tipos de átomos muy especiales, los átomos de Rydberg, con un diámetro varios cientos de veces mayor de lo normal. Los resultados han sido publicados ahora en una revista. Física de la naturaleza.

Rotura automática de simetría

El tictac de un reloj también es un ejemplo de movimiento periódico del tiempo. Sin embargo, no ocurren de forma espontánea: alguien debe haber dado cuerda al reloj y puesto en marcha a una hora determinada. Esta hora de inicio determina la sincronización de los latidos. La cuestión es distinta con la cristalización del tiempo: según la idea de Wilczek, la periodicidad debería surgir espontáneamente, aunque no exista diferencia física entre diferentes momentos del tiempo.

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«La frecuencia de los clics está predeterminada por las propiedades físicas del sistema, pero los momentos en los que se producen los clics son completamente aleatorios; esto se conoce como ruptura espontánea de la simetría», explica el profesor Thomas Pohl del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Viena. Tecnología.

Señales periódicas dependientes del tiempo

Un sistema estático basado en una entrada continua de luz da como resultado señales periódicas dependientes del tiempo. Copyright: Universidad Técnica de Viena

Thomas Paul fue responsable de la parte teórica del trabajo de investigación que condujo al descubrimiento de un cristal del tiempo en la Universidad de Tsinghua en China: se iluminó con luz láser un recipiente de vidrio lleno de un gas de átomos de rubidio. Se midió la intensidad de la señal luminosa que llega al otro extremo del contenedor.

“En realidad, se trata de un experimento constante en el que no se impone ningún ritmo específico al sistema”, afirma Thomas Paul. “Las interacciones entre la luz y los átomos son siempre las mismas, el rayo láser tiene una intensidad constante. Pero lo sorprendente es la intensidad. que llega al otro extremo de la celda de vidrio”. «Empieza a oscilar en patrones muy regulares».

átomos gigantes

La clave del experimento fue preparar los átomos de una manera especial: los electrones se prepararon en… maíz Los átomos pueden orbitar alrededor del núcleo en diferentes caminos, dependiendo de cuánta energía tengan. Si se agrega energía al electrón más externo de un átomo, la distancia entre él y el núcleo atómico puede llegar a ser muy grande. En casos extremos, la distancia entre éste y el núcleo puede ser varios cientos de veces mayor de lo normal. De esta manera se crean átomos con capas de electrones gigantes, los llamados átomos de Rydberg.

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«Si los átomos de nuestro frasco de vidrio se preparan en estados de Rydberg y su diámetro se vuelve enorme, las fuerzas entre estos átomos también se vuelven muy grandes», explica Thomas Paul. «Esto, a su vez, cambia la forma en que interactúas con el láser. Si eliges la luz láser de tal manera que sea capaz de excitar dos estados de Rydberg diferentes en cada átomo al mismo tiempo, se crea un circuito de retroalimentación que provoca oscilaciones espontáneas. entre los dos estados atómicos esto a su vez también hace que la luz oscilatoria sea absorbida «. Por sí solos, los átomos gigantes caen a un ritmo regular, y este ritmo se traduce en el ritmo de la intensidad de la luz que llega al final del recipiente de vidrio.

«Hemos creado aquí un nuevo sistema que proporciona una poderosa plataforma para profundizar nuestra comprensión del fenómeno del cristal del tiempo de una manera que se acerca mucho a la idea original de Frank Wilczek», dice Thomas Paul. «Para los sensores se podrían utilizar, por ejemplo, oscilaciones precisas y autosostenidas. Los átomos gigantes con estados de Rydberg ya se han utilizado con éxito para este tipo de técnicas en otros contextos».

Referencia: “Cristalización en tiempo disipativo en un gas Rydberg que interactúa fuertemente” por Xiaoling Wu, Chuqing Wang, Fan Yang, Ruochen Gao, Zhao Liang, Meng Khun Te, Xiangliang Li, Thomas Paul y Li Yu, 2 de julio de 2024, Física de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02542-9

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