Por Tom Metcalfe - NBC News
Unos físicos de Finlandia son los últimos científicos en crear “cristales de tiempo”, una fase de la materia recién descubierta que sólo existe a escalas atómicas minúsculas y a temperaturas extremadamente bajas, pero que también parece desafiar una ley fundamental de la naturaleza: la prohibición del movimiento perpetuo.
El efecto sólo se observa en condiciones de mecánica cuántica (que es como interactúan los átomos y sus partículas) y cualquier intento de extraer trabajo de un sistema así lo destruirá. Pero la investigación revela más de la naturaleza contraintuitiva del reino cuántico, la escala más pequeña del universo que, en última instancia, influye en todo lo demás.
Los cristales de tiempo no tienen ninguna utilidad práctica y no se parecen en nada a los cristales naturales. De hecho, no se parecen en nada. En cambio, el nombre de “cristal del tiempo” -del que se sentiría orgulloso cualquier ejecutivo de marketing- describe sus cambios regulares de estados cuánticos durante un periodo de tiempo, en lugar de sus formas regulares en el espacio físico, como el hielo, el cuarzo o el diamante.
Algunos científicos sugieren que los cristales de tiempo podrían servir algún día de memoria para los ordenadores cuánticos. Pero el objetivo más inmediato de estos trabajos es aprender más sobre la mecánica cuántica, según el físico Samuli Autti, profesor e investigador de la Universidad de Lancaster, Reino Unido.
Y al igual que el mundo moderno depende de los efectos de la mecánica cuántica dentro de los transistores, existe la posibilidad de que estos nuevos artefactos cuánticos resulten útiles algún día.
“Quizá los cristales de tiempo acaben impulsando algunas funciones cuánticas en tu smartphone”, afirma Autti.
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Autti es el autor principal de un estudio publicado en Nature Communications el mes pasado que describe la creación de dos cristales de tiempo individuales dentro de una muestra de helio y sus interacciones magnéticas al cambiar de forma.
Él y sus colegas del Laboratorio de Bajas Temperaturas de la Universidad Aalto de Helsinki empezaron con gas helio dentro de un tubo de vidrio, y luego lo enfriaron con láseres y otros equipos de laboratorio a sólo una diezmilésima de grado por encima del cero absoluto (unos 459.67 grados Fahrenheit bajo cero).
A continuación, los investigadores utilizaron el equivalente científico de “mirar de reojo” a su muestra de helio con ondas de radio, para no perturbar sus frágiles estados cuánticos, y observaron que algunos de los núcleos de helio oscilaban entre dos niveles de baja energía, lo que indicaba que habían formado un “cristal” con el tiempo.
A temperaturas tan bajas, la materia no tiene suficiente energía para comportarse normalmente, por lo que está dominada por los efectos de la mecánica cuántica. Por ejemplo, el helio -un líquido a menos de 452.2 Fahrenheit- no tiene viscosidad ni “espesor” en este estado, por lo que fluye hacia arriba fuera de los contenedores como lo que se llama un “superfluido”.
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El estudio de los cristales de tiempo forma parte de la investigación de la física cuántica, que puede llegar a ser rápidamente desconcertante. A nivel cuántico, una partícula puede estar en más de un lugar a la vez, o puede formar un qubit, el análogo cuántico de un solo bit de información digital, pero que puede tener dos valores diferentes al mismo tiempo. Las partículas cuánticas también pueden entrelazarse y teletransportarse. Los físicos aún no han terminado de entenderlo todo.
Los cristales de tiempo son una de las muchas características extrañas de la física cuántica. En los cristales normales, como el hielo, el cuarzo o el diamante, los átomos están alineados en una posición física concreta, un efecto minúsculo que da lugar a sus peculiares formas regulares a mayor escala.
Pero las partículas de un cristal de tiempo existen en uno de los dos estados de baja energía diferentes, según el momento en que se las mire, es decir, su posición en el tiempo. El resultado es una oscilación regular que continúa para siempre, un verdadero tipo de movimiento perpetuo.
Sin embargo, ese movimiento perpetuo sólo existe realmente para siempre en los cristales de tiempo ideales que no se han fijado en un estado u otro, y como los cristales de tiempo de los experimentos de la Universidad Aalto no eran ideales, sólo duraron unos minutos antes de “fundirse” y empezar a comportarse normalmente, dijo Autti.
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La misma limitación significa que no hay forma de explotar el movimiento perpetuo: Un cristal de tiempo simplemente se detendría — “se fundiría”- si se intentara extraer trabajo físico de él, dijo.
Los cristales de tiempo fueron propuestos por primera vez en 2012 por el físico teórico estadounidense Frank Wilczek, que recibió el Premio Nobel de Física en 2004 por su trabajo sobre la fuerza “fuerte” subatómica que mantiene a los quarks dentro de los protones y neutrones de los núcleos atómicos, una de las fuerzas fundamentales del universo. Se detectaron por primera vez en 2016 en experimentos con iones del metal de tierras raras iterbio en la Universidad de Maryland.
Los cristales de tiempo solo se han fabricado un puñado de veces desde entonces, ya que su creación es extremadamente difícil. Pero los experimentos de la Universidad de Aalto apuntan a una forma de fabricarlos más fácilmente y durante más tiempo. También es la primera vez que se utilizan dos cristales de tiempo para formar cualquier tipo de sistema.
El físico Achilleas Lazarides, profesor de la Universidad de Loughborough, Reino Unido, realizó una investigación teórica sobre los cristales de tiempo que contribuyó a la creación de una simulación cuántica funcional de los mismos en un ordenador cuántico especializado operado por el gigante tecnológico Google.
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Lazarides, que no participó en el último estudio, explicó que el movimiento perpetuo de los cristales de tiempo se produce al margen de las leyes de la termodinámica, desarrolladas en el siglo XIX a partir de ideas anteriores sobre la conservación de la energía.
Por lo general, se afirma que la energía total de trabajo de un sistema sólo puede disminuir, lo que significa que el movimiento perpetuo es imposible, algo que se ha confirmado durante siglos de experimentos.
Pero los cambios cuánticos en los estados de baja energía de los núcleos en los cristales de tiempo no crean ni utilizan energía, por lo que la energía total de un sistema de este tipo nunca aumenta, un caso especial que está permitido por las leyes de la termodinámica, dijo.
Lazarides reconoció que los actuales experimentos con cristales de tiempo están lejos de cualquier aplicación práctica, sea cual sea, pero la posibilidad de aprender más sobre la mecánica cuántica es inestimable.
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Los cristales de tiempo son “algo que no existe realmente en la naturaleza”, dijo. “Por lo que sabemos, hemos creado esta fase de la materia. Es difícil saber si saldrá algo de ahí”, concluyó.