En 2012, el Premio Nobel Frank Wilczek propuso algo que parecía imposible: un estado de la materia que se movería perpetuamente sin consumir energía, rompiendo una simetría fundamental del universo. Los cristales del tiempo, como los llamó, desafiaban las intuiciones básicas sobre cómo funciona la realidad física. Sorprendentemente, en 2016, físicos lograron crear estos objetos cuánticos imposibles, abriendo una ventana a la física fundamentalmente nueva y potenciales aplicaciones revolucionarias.
Qué son los cristales normales
Para comprender los cristales del tiempo, primero entendamos los cristales normales espaciales. Un cristal como el diamante o la sal tiene átomos ordenados en un patrón repetitivo en el espacio. Esta periodicidad espacial rompe la simetría traslacional: el cristal se ve diferente si lo desplazas cualquier distancia que no sea múltiplo exacto del espaciado de la red. Los cristales espaciales están en el estado de mínima energía. El ordenamiento periódico es la configuración energéticamente favorable. No requieren energía para mantener la estructura; es estable naturalmente. Wilczek se preguntó: ¿podría existir una estructura que rompa la simetría temporal de manera análoga? Es decir, ¿podría un sistema exhibir periodicidad en el tiempo, no solo en el espacio? Esto significaría que el sistema retornaría a su configuración original después de un intervalo temporal fijo, repitiendo el patrón indefinidamente. Crucialmente, Wilczek propuso que esto podría ocurrir en el estado de mínima energía, el estado fundamental del sistema.
Primeras realizaciones experimentales
En 2016-2017, dos grupos independientes reportaron la creación de cristales del tiempo. El grupo en la Universidad de Maryland usó una cadena de iones atrapados, átomos cargados suspendidos electromagnéticamente. Aplicaron secuencias específicas de pulsos láser para crear un impulso periódico. El sistema exhibió una respuesta subarmónica robusta: impulsado a una frecuencia f, oscilaba a f/2. El segundo grupo en Harvard utilizó centros de nitrógeno-vacante en diamante, defectos en la red cristalina con propiedades cuánticas especiales. Mediante pulsos de microondas, crearon un cristal del tiempo en estado sólido. Ambos experimentos confirmaron las predicciones teóricas: los sistemas mantenían una periodicidad temporal robusta, resistiendo perturbaciones que destruirían las oscilaciones normales. Los cristales del tiempo tienen propiedades distintivas. Primero, rompen la simetría de traslación temporal discreta. El sistema retorna a su estado original después de un período T que es múltiplo entero del período de impulso externo.
Diversidad de plataformas
Desde las realizaciones iniciales, los cristales del tiempo han sido creados en múltiples plataformas físicas. Superconductores, átomos ultrafríos, sistemas fotónicos, y más han demostrado el comportamiento de cristal del tiempo. Esta diversidad sugiere que el concepto es robusto y general, no una peculiaridad de un sistema específico. Cada plataforma ofrece ventajas. Los iones atrapados permiten un control preciso. Los sistemas de estado sólido son escalables. Los átomos ultrafríos permiten la visualización directa de la dinámica. La investigación reciente ha explorado cristales que son periódicos tanto en el espacio como en el tiempo. Estos objetos híbridos combinan las propiedades de los cristales espaciales tradicionales con la ruptura de simetría temporal. Potencialmente, estos podrían exhibir propiedades aún más exóticas, como ondas que se propagan con patrones complejos de periodicidad espaciotemporal.