Cristales de tiempo de átomos gigantes

Un cristal es un arreglo de átomos que se repite en el espacio a intervalos regulares: en cada punto, el cristal se ve exactamente igual. En 2012, el ganador del premio Nobel Frank Wilczek planteó la pregunta: ¿podría existir también un cristal de tiempo, un objeto que se repita no en el espacio sino en el tiempo? ¿Y sería posible que emerja un ritmo periódico, incluso aunque no se imponga ningún ritmo específico al sistema y la interacción entre las partículas sea completamente independiente del tiempo?

Durante años, la idea de Frank Wilczek ha causado mucha controversia. Algunos consideraron los cristales de tiempo como imposibles en principio, mientras que otros intentaron encontrar lagunas y realizar cristales de tiempo bajo ciertas condiciones especiales. Ahora, un tipo particularmente espectacular de cristal de tiempo se ha creado con éxito en la Universidad Tsinghua de China, con el apoyo de la TU Wien de Austria. El equipo utilizó luz láser y tipos muy especiales de átomos, a saber, átomos de Rydberg, con un diámetro que es varias veces más grande que el normal. Los resultados se han publicado ahora en la revista “Nature Physics”.

Ruptura espontánea de la simetría

El tictac de un reloj también es un ejemplo de un movimiento periódico en el tiempo. Sin embargo, no sucede solo: alguien debe haber dado cuerda al reloj y arrancarlo en un momento determinado. Este tiempo de inicio determinó entonces el ritmo de los tics. Es diferente con un cristal de tiempo: según la idea de Wilczek, una periodicidad debería surgir espontáneamente, aunque en realidad no existe ninguna diferencia física entre los diferentes puntos del tiempo.

“La frecuencia de los tics está predeterminada por las propiedades físicas del sistema, pero los momentos en los que se producen los tics son completamente aleatorios; esto se conoce como ruptura espontánea de la simetría”, explica el profesor Thomas Pohl del Instituto de Física Teórica de la TU Wien.

Thomas Pohl estuvo a cargo de la parte teórica del trabajo de investigación que ahora ha llevado al descubrimiento de un cristal de tiempo en la Universidad Tsinghua de China: se hizo brillar luz láser en un recipiente de vidrio lleno con un gas de átomos de rubidio. Se midió la intensidad de la señal de luz que llegó al otro lado del recipiente.

“En realidad es un experimento estático donde no se impone ningún ritmo específico al sistema”, dice Thomas Pohl. “Las interacciones entre la luz y los átomos son siempre las mismas, el rayo láser tiene una intensidad constante. Pero sorprendentemente, resultó que la intensidad que llega al otro lado de la celda de vidrio comienza a oscilar en patrones muy regulares”.

Átomos gigantes

La clave del experimento fue preparar los átomos de una manera especial: los electrones de un átomo pueden orbitar el núcleo en diferentes caminos, dependiendo de cuánta energía tengan. Si se añade energía al electrón más externo de un átomo, su distancia del núcleo atómico puede ser muy grande. En casos extremos, puede estar varias veces más lejos del núcleo de lo habitual. De esta forma, se crean átomos con una capa electrónica gigante, los llamados átomos de Rydberg.

“Si los átomos de nuestro recipiente de vidrio se preparan en tales estados de Rydberg y su diámetro se hace enorme, entonces las fuerzas entre estos átomos también se hacen muy grandes”, explica Thomas Pohl. “Y eso a su vez cambia la forma en que interactúan con el láser. Si eliges la luz láser de tal manera que pueda excitar dos estados de Rydberg diferentes en cada átomo al mismo tiempo, entonces se genera un circuito de retroalimentación que provoca oscilaciones espontáneas entre los dos estados atómicos. Esto también conduce a una absorción de luz oscilante.” Por sí mismos, los átomos gigantes caen en un ritmo regular, y este ritmo se traduce en el ritmo de la intensidad de la luz que llega al final de la celda de vidrio.

“Hemos creado un nuevo sistema aquí que proporciona una plataforma poderosa para profundizar en nuestra comprensión del fenómeno del cristal de tiempo de una manera que se acerca mucho a la idea original de Frank Wilczek”, dice Thomas Pohl. “Las oscilaciones precisas y autosostenidas podrían utilizarse para sensores, por ejemplo. Los átomos gigantes con estados de Rydberg ya se han utilizado con éxito para tales técnicas en otros contextos.”