Los estados exóticos de la materia conocidos como cristales de tiempo se consideran en gran medida un fenómeno cuántico. Ahora, un equipo de Universidad de Nueva York (NYU) ha demostrado que un cristal de tiempo clásico puede surgir de una manera mucho más sencilla: utilizando nada más que altavoces y espuma de poliestireno.
Este sistema podría no ser sólo un ejemplo extraordinariamente limpio de un cristal de tiempo clásico, sino también un Un laboratorio realmente genial para estudiar interacciones no recíprocas a escala macroscópica, donde las partículas interactúan a través de ondas sonoras dispersas en lugar de fuerzas directas y equilibradas.
“Los cristales del tiempo son fascinantes no sólo por sus posibilidades, sino también porque parecen exóticos y complicados”, dice el físico David Grier de la Universidad de Nueva York.
“Nuestro sistema es notable porque es increíblemente simple”.
Los cristales del tiempo, predichos por primera vez en 2012, son incluso más extraños de lo que sugiere su nombre. El término no describe un objeto, sino un tipo de comportamiento, y todo tiene que ver con cómo se repiten los patrones.
En los objetos cristalinos, como el cuarzo, el diamante, la sal y toda una gama de metales, los átomos están dispuestos en una ordenada estructura reticular que se repite en el espacio tridimensional, como las uniones entre las barras de una trepadora. Cualquier parte del patrón se puede superponer perfectamente sobre cualquier otra parte del patrón.
Un cristal de tiempo es una disposición de partículas que se repite en el tiempo, oscilando con un patrón temporal que se repite de tal manera que también puede superponerse, al igual que un cristal espacial. Fundamentalmente, esta oscilación continua rompe la simetría del tiempo, operando sin ser configurada por un reloj externo o un impulso periódico, y a una frecuencia que surge de la interacción misma.
Muchos cristales de tiempo experimentales son sistemas cuánticos basados en sus estados entrelazados. Grier y sus colegas, las físicas Mia Morrell y Leela Elliott de la Universidad de Nueva York, descubrieron su sistema clásico casi por accidente mientras investigaban una clase diferente de interacciones físicas.
Pequeñas perlas de poliestireno, de apenas uno o dos milímetros de diámetro, son excelentes herramientas para estudiar la forma en que los objetos interactúan indirectamente a través de ondas sonoras. Son muy ligeros, lo que significa que pueden levitar mediante ondas sonoras, pero tienen suficiente integridad estructural para permanecer rígidos bajo fuerzas acústicas. También tienen ligeras variaciones en tamaño y forma, lo cual es crucial para estudiar interacciones no recíprocas.
Los científicos llevaron a cabo sus experimentos como parte de su investigación en curso sobre estas interacciones. En primer lugar, se ajustó un pequeño conjunto de altavoces para producir una onda de sonido estacionaria, una onda de estructura perfectamente equilibrada, sin ritmo impuesto. Luego, se introdujeron las cuentas, creando una pequeña perturbación en la que rebotaban las ondas sonoras.
“Las ondas sonoras ejercen fuerzas sobre las partículas, del mismo modo que las ondas en la superficie de un estanque pueden ejercer fuerzas sobre una hoja flotante”, dice Morrell.
“Podemos levitar objetos contra la gravedad sumergiéndolos en un campo sonoro llamado onda estacionaria”.
Luego, las dos cuentas interactúan a través de las ondas que cada una de ellas dispersa. Una cuenta ligeramente más grande creará una perturbación mayor que una más pequeña; Por lo tanto, la fuerza que ejerce sobre la cuenta más pequeña será mayor que la fuerza que la cuenta más pequeña ejerce sobre la más grande.
Esto es lo que se entiende por interacción no recíproca, común en acústica y óptica, pero normalmente pequeña y difícil de aislar experimentalmente.
Utilizando su aparato para investigar este fenómeno, los investigadores descubrieron que cuando las condiciones eran las adecuadas, la interacción entre las dos cuentas hacía que oscilaran en un patrón temporal, sin que nadie las sacudiera, las empujara o introdujera un ritmo.
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Las cuentas pueden mantener un patrón repetitivo estable durante horas, estableciéndose en un estado estable y robusto en lugar de una fluctuación fugaz. ¿Y sólo dos cuentas? Ese es el sistema más pequeño posible. potencialmente comportarse como un cristal de tiempo.
Puede que todavía no haya aplicaciones prácticas, pero los hallazgos pueden atraer otras actividades experimentales. Por ejemplo, algunos sistemas bioquímicos de nuestro cuerpo interactúan de forma no recíproca. Eso no significa que nuestros ritmos circadianos sean cristales de tiempo, pero plantea preguntas divertidas sobre si principios similares podrían aparecer en biología.
También muestra que no necesariamente necesitamos equipos costosos y de alta tecnología para investigar algunos de los comportamientos más exóticos del mundo físico. A veces, parece, puedes conformarte con espuma de poliestireno y tal vez con un subwoofer.
Los hallazgos se han publicado en Physical Review Letters.