Un cubo de hielo, tal como lo conocemos generalmente, es un cristal, con sus moléculas de agua cuidadosamente dispuestas en una ordenada red hexagonal.
A medida que se derrite, este orden se disuelve, y la disposición cristalina de largo alcance da paso a un caos fluido. Sin embargo, incluso en este aparente desorden, las moléculas conservan cierta apariencia de estructura, interactuando con sus vecinas inmediatas.
Esta es una disposición espacial. Pero ¿qué pasaría si algo similar pudiera sucederle a un cristal cuya estructura existe no sólo en el espacio, sino también en el tiempo?
Si un fenómeno conocido como cristal del tiempo pudiera derretirse de la misma manera que un cubo de hielo, podría dar como resultado un estado de la materia conocido como líquido del tiempo, uno que retiene el orden temporal de corto alcance incluso cuando su coherencia de largo alcance se disuelve.
Si se demuestra experimentalmente, el líquido del tiempo podría ofrecer a los físicos una nueva forma de investigar cómo responde la materia a las fluctuaciones en su entorno y cómo puede surgir el orden de lo que debería ser desorden, incluso cuando las reglas habituales que rigen los cristales del tiempo ya no se aplican.
“El aspecto más sorprendente de los líquidos de tiempo discreto, tanto cuánticos como clásicos, es la idea de que un cristal de tiempo discreto con una densidad finita de defectos de tiempo topológicos puede restaurar la simetría de traducción del tiempo en promedio”, escriben los físicos dirigidos por Zuo Wang y Marios H. Michael del Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos en Alemania.
Sus hallazgos, que aún no han sido revisados por pares, se cargaron en el servidor de preimpresión arXiv.
Los cristales de tiempo son uno de los fenómenos más fascinantes de la física moderna.
Imagínese el cubo de hielo en su cabeza: si pudiera reducirlo a la escala molecular y mirarlo, su red se parecería a una jungla hexagonal, con el patrón repitiéndose en un espacio tridimensional.
Un cristal de tiempo lleva esta idea a una dimensión más allá: en lugar de simplemente repetir un patrón en el espacio, repite un patrón de comportamiento a través del tiempo.
Los investigadores modelaron su trabajo basándose en los principios de un tipo de cristal de tiempo llamado cristal de tiempo discreto.
El patrón repetitivo de un cristal de tiempo discreto no son sólo las oscilaciones normales de los átomos; está impulsado por una fuente externa como un láser, pero marca un ritmo diferente. Piense en un latido del cristal por cada dos latidos de la fuente.
Ese ritmo cristalino es realmente fuerte: no se desvía fácilmente por pequeñas perturbaciones.
Pero ¿qué sucede cuando la propia fuerza motriz es inestable? ¿Cuándo, en lugar de un latido constante, el cristal se somete a un ritmo que fluctúa de manera impredecible?
Esto es lo que Wang y sus colegas querían investigar, y conceptualmente va a resultar un poco complicado, así que tengan paciencia.
Los investigadores desarrollaron un modelo teórico que consiste en una red bidimensional de espines que interactúan: piense en una hoja con una ordenada cuadrícula de diminutas flechas magnéticas como las agujas de una brújula.
Esta red estaba acoplada a una cavidad electromagnética. Imagínese poner la hoja de flechas en una cámara hueca como una campana que contiene un campo electromagnético.
Ahora imagina que, en lugar de golpear la campana con un martillo, la calientas. Las fluctuaciones térmicas aleatorias hacen que el campo electromagnético oscile, y esas oscilaciones influyen en las flechas, animándolas a girar e interactuar con sus vecinas.
Debido a que la cavidad tiene una frecuencia de resonancia natural, las fluctuaciones producen un ritmo aproximado, aunque nadie lleva el tiempo deliberadamente.
La hoja de flechas es el sistema que puede exhibir un comportamiento cristalino en el tiempo. El campo electromagnético fluctuante es su motor.
Y cuando los investigadores realizaron sus simulaciones, surgió algo sorprendente. En las condiciones adecuadas, los espines comenzaron a funcionar a la mitad de la frecuencia de la cavidad, aunque las fluctuaciones que los impulsaban eran todo menos regulares.
Pero no era como un cristal de tiempo discreto normal.
Aunque los giros mantuvieron su ritmo distintivo en general, ocasionalmente se desfasaron, cambiando entre dos versiones equivalentes de su patrón repetitivo.
Los investigadores llaman a estas interrupciones solitones de tiempo: defectos en el orden temporal que alteran la coherencia a largo plazo sin destruir el ritmo subyacente.
Hemos montado un laboratorio bastante imaginario, pero tengan paciencia con nosotros un poco más. Ya casi llegamos al líquido. Aquí es donde volvemos a nuestro cubo de hielo derritiéndose.
Así como el agua líquida retiene cierta estructura local incluso después de que el orden de largo alcance de su red cristalina se ha roto, los espines simulados conservaron el orden temporal de corto alcance incluso cuando se disolvió la coherencia de largo alcance.
Este es el estado que los investigadores llamaron líquido de tiempo discreto.
Y aquí hay otro giro extraño: las fluctuaciones térmicas no estaban simplemente interrumpiendo los giros. Eran responsables de lograr su patrón ordenado.
A bajas temperaturas, las fluctuaciones eran demasiado débiles para producir el patrón repetitivo distintivo. A temperaturas intermedias, los giros seguían su ritmo. Y a altas temperaturas, las fluctuaciones se volvieron tan fuertes que el orden se rompió por completo. Es como las gachas de Ricitos de Oro, para hacer que nuestro extraño laboratorio esté un poco más desordenado.
Lo que significa es que agregar calor en realidad podría crear orden, pero sólo hasta cierto punto.
Entonces, ¿por qué querría alguien preparar el equivalente físico de gachas servidas en una campana al rojo vivo y sazonadas con agujas de compás y cubitos de hielo? (Mmmmm.)
Bueno, una razón tiene que ver con algo llamado simetría de traslación del tiempo: el principio de que las leyes de la física funcionan de la misma manera independientemente de cuándo se observen, incluso si los fenómenos que esas leyes gobiernan se comportan de manera diferente a lo largo del tiempo.
Un cristal de tiempo rompe esa simetría al establecer un patrón repetitivo que distingue momentos particulares de otros.
Pero en el tiempo líquido simulado, los cambios ocasionales entre diferentes versiones del ritmo significan que, en promedio, esas distinciones pueden desaparecer. El sistema conserva el orden temporal local sin mantener un patrón coherente indefinidamente.
Esto plantea la posibilidad de que pueda existir un líquido de tiempo incluso en equilibrio térmico, un estado en el que no se espera que se formen cristales de tiempo convencionales.
Por ahora, todo esto sigue siendo puramente teórico. Los investigadores aún tienen que realizar experimentalmente este extraño brebaje, aunque han delineado algunas posibilidades y limitaciones potenciales.
Cuando se propuso por primera vez la noción de cristal del tiempo, muchos físicos pensaron que era imposible, por lo que es posible que todavía veamos un tiempo líquido.
Y, si lo hacemos, revelará algo nuevo sobre la extraña relación entre orden y caos.
La investigación está disponible en el servidor de preimpresión arXiv.
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.