Para nosotros, los mortales, el flujo del tiempo va en una dirección.
El ayer ya pasó, el mañana aún está por llegar, y por muy precisa y fiel que un reloj marque los segundos que pasan, nunca podremos volver a un momento que ya pasó.
Pero durante un tiempo las cosas son muy diferentes.
Las filas constituyentes de este misterioso estado de la materia –ya sean átomos, ondas sonoras o defectos topológicos– están estrictamente reglamentadas en el tiempo, un patrón repetitivo de latidos que podrían extraerse de una grabación a intervalos regulares y perfectamente superponerse, uno sobre otro.
Los cristales del tiempo, que antes se consideraban imposibles, se han observado en sistemas que van desde redes atómicas físicas hasta espuma de poliestireno levitante.
Ahora, los físicos han descubierto una nueva y extraña manera de que surja un cristal de tiempo, no a través de la imposición de un ritmo externo, sino a través de un proceso espontáneo en el que las vibraciones en competencia gradualmente van entrando en ritmo: el orden emerge gradualmente del caos.
Utilizando un metamaterial bidimensional impreso en 3D, un equipo internacional de físicos dirigido por Jonas Veenstra de la Universidad de Amsterdam en los Países Bajos observó pequeñas y rápidas vibraciones que daban paso a ondas progresivamente más grandes y más lentas, hasta que toda la estructura se movía en sincronía.
Los investigadores llaman a este proceso “engrosamiento de las ondas” y podría revelar una nueva forma en que la materia se organiza en patrones persistentes en el tiempo.
Uno de los mayores desafíos para la investigación de cristales de tiempo es cuán devastadoramente frágiles pueden ser estos sistemas.
Cuando intentas mantener algo en un paso muy preciso, incluso una ligera perturbación puede provocar que caiga en desorden. En sistemas con sólo una o dos dimensiones espaciales, esas perturbaciones pueden ser particularmente destructivas.
Esto hace que la aparición de un ritmo estable y sincronizado en un material bidimensional sea especialmente intrigante.
Una posible ruta hacia ese orden radica en la forma en que las diferentes partes de un material interactúan entre sí.
Veenstra y sus colegas querían observar qué sucede con las ondas en un sistema cuando la influencia de una parte del sistema sobre otra no es necesariamente recíproca.
Éstas se conocen como interacciones no recíprocas y pueden producir algunas dinámicas peculiares. En las condiciones adecuadas, en lugar de asentarse en un revoltijo de oscilaciones competitivas, las ondas pueden reorganizarse gradualmente, con patrones más largos y lentos reemplazando a otros más cortos y rápidos.
Con el tiempo, puede surgir un ritmo único y coherente en todo el sistema.
Demostrar que esto puede suceder matemáticamente es una cosa, pero manifestarlo en un material real es un poco más complicado.
Para ello, los investigadores construyeron un metamaterial inusual, cuyas propiedades surgen de su estructura, más que de su composición.
Constaba de 37 unidades dispuestas en una red en forma de panal, cada una hecha de tres hexágonos elásticos equipados con sensores, actuadores y un pequeño controlador electrónico.
Los componentes fueron programados para responder entre sí de una manera muy particular. Cuando se comprimió un hexágono, su vecino en el sentido de las agujas del reloj también se comprimió, mientras que su vecino en el sentido contrario a las agujas del reloj se expandió.
Esta respuesta asimétrica permitió a los investigadores diseñar las interacciones no recíprocas que querían estudiar.
Luego, pusieron el material en movimiento.
Le dieron un empujón al panal, introduciendo pequeñas perturbaciones aleatorias en la estructura, y observaron lo que sucedía.
Al principio, las unidades individuales comenzaron a vibrar rápidamente, alrededor de 30 veces por segundo. Pero gradualmente, surgieron ondas más grandes, que viajaron alrededor del borde del material, anulando las oscilaciones más pequeñas.
Luego, a medida que las ondas se hicieron más largas, sus oscilaciones disminuyeron hasta que todo el panal se movió al unísono en un ritmo único y sincronizado.
Sin embargo, cualquiera puede hacer una ola. La siguiente parte demuestra que la onda es un cristal de tiempo.
Para ello, los investigadores necesitaban establecer que las oscilaciones sincronizadas no eran sólo un fenómeno fugaz, sino una forma de orden que podía persistir incluso cuando era sacudida por perturbaciones aleatorias.
Recurrieron al análisis matemático y a las simulaciones por computadora, introduciendo ruido en su modelo para ver si destruiría el ritmo sincronizado.
No fue así. Sus resultados mostraron que las oscilaciones podían permanecer coherentes a pesar de las perturbaciones, incluso cuando el sistema se acercaba a un tamaño efectivamente infinito.
El panal tampoco fue el final de los experimentos. Los investigadores querían saber si el efecto podría surgir en un sistema con una arquitectura diferente, por lo que construyeron un donut para montar olas, como un toro mecánico extraordinariamente extraño cruzado con hockey aéreo.
Consistía en un único anillo elástico equipado con 24 motores, programados para producir interacciones no recíprocas entre secciones vecinas. Lo colocaron sobre una mesa de aire, permitiéndole flotar con una fricción mínima.
Cuando activaron los motores y perturbaron el anillo, las ondas comenzaron a viajar alrededor de su circunferencia, deformándola en una sucesión de formas poligonales cambiantes.
A medida que las ondas se hicieron más largas y más lentas, los polígonos desarrollaron menos lados, hasta que el movimiento del anillo estuvo dominado por un patrón único a gran escala.
Los investigadores no establecieron por separado que este sistema también formara un cristal de tiempo, pero sí revelaron algo importante sobre el engrosamiento de las ondas.
Su análisis matemático mostró que, a medida que las ondas crecen en amplitud, cambian la dinámica del sistema, favoreciendo cada vez más las ondas con longitudes de onda más largas. Esas olas más grandes luego se vuelven más fuertes, inclinando aún más la balanza a su favor.
Esto crea un circuito de retroalimentación en el que las ondas dominantes se vuelven progresivamente más grandes y más lentas, hasta alcanzar los límites impuestos por el tamaño del propio material.
En lugar de tener que imponer un ritmo sincronizado desde el exterior, los investigadores encontraron una manera de que el material organizara sus propias vibraciones.
Finalmente, hubo una sorpresa más. Los investigadores también descubrieron que el proceso podría interrumpirse.
En su modelo matemático, agregar fricción cambió las ondas que podían crecer. Las ondas más largas fueron suprimidas, impidiendo que las vibraciones siguieran reorganizándose en patrones cada vez más grandes.
En lugar de que todo el material siga su ritmo, el sistema podría adoptar un tipo diferente de orden: ondas persistentes que viajan en una dirección a lo largo de su borde.
Esto sugiere que la misma física subyacente podría producir diferentes tipos de movimiento organizado, dependiendo de las condiciones. Al comprender cómo controlar esas condiciones, los investigadores pueden eventualmente encontrar nuevas formas de guiar las vibraciones a través de materiales diseñados.
El descubrimiento podría tener implicaciones para campos que van desde la acústica hasta la robótica blanda, aunque las aplicaciones prácticas aún están lejos.
Pero quizás la parte más interesante es que los investigadores no necesitaron inducir ni guiar el ritmo de las vibraciones del material. Al diseñar cómo interactuaban sus componentes, crearon condiciones en las que las vibraciones podían organizarse por sí mismas.
Sus resultados sugieren que esta autoorganización podría ofrecer una nueva ruta hacia el orden temporal robusto y duradero que ha resultado tan difícil de lograr en los cristales del tiempo.
“Anticipamos que el engrosamiento de las ondas representa una ruta ejemplar hacia la cristalización del tiempo en sistemas con simetrías adicionales y modos Goldstone asociados”, escriben, “que puede aprovecharse como una estrategia de control para cambios de forma y movimiento dirigido en campos como la robótica, la materia activa y la optomecánica con transiciones de fase no recíprocas”.
Bueno, obviamente.
La investigación ha sido publicada en Nature.
Este artículo fue verificado por Fiona MacDonald y editado por Fiona MacDonald. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.