Científicos españoles proponen ruta para construir cristales de tiempo

Se pierden de vista las definiciones sobre el tiempo. Unas poéticas y con alto contenido metafórico. Otras más precisas, con sesudos cálculos físicos y matemáticos. Pero ese tic tac horada en algún instante el pensamiento de todos: el ayer, el hoy, el mañana. La existencia, la nada. Einstein le dio sustento al asociarlo al espacio, esa dimensión indivisible de su teoría de la relatividad. En esa búsqueda por perfeccionar el concepto, científicos españoles de la UGR profundizan en un término que se asoma en el horizonte de lo posible, los cristales de tiempo y el estado de la materia.

El Premio Nobel de Física, Frank Wilczek habló por primera vez en 2012 de esos cristales, vinculándolos a un estado ordenado de la materia, cuyos patrones se repiten en el tiempo y no en el espacio. El físico teórico del Massachusetts Institute of Technology (MIT) llevó a la práctica una idea abstracta y muy compleja.

​“Los cristales de tiempo extienden la simetría tridimensional ordinaria vista en los cristales comunes para incluir la cuarta dimensión del tiempo. Un cristal de tiempo rompe espontáneamente la simetría de traslación en el tiempo. El patrón del cristal no se repite en el espacio, sino en el tiempo, lo que permite notablemente que el cristal esté en movimiento perpetuo”, explicó en su momento el físico.

Científicos de la Universidad de Granada (UGR) y la Universidad de Tübingen (UT, Alemania) descubrieron una forma de crear esos cristales de tiempo. Una nueva fase de la materia que emula una estructura cristalina en la cuarta dimensión, el tiempo, en lugar de solo en el espacio, a partir de fluctuaciones extremas en sistemas físicos de muchas partículas.

Los investigadores de la UGR demuestran que ciertas transiciones de fase dinámicas que aparecen en las fluctuaciones raras de muchos sistemas físicos, rompen espontáneamente la simetría de traslación en el tiempo. El trabajo fue publicado recientemente en la prestigiosa revista Physical Review Letters de la American Physica lSociety.

Científicos de la UGR exploran cristales de tiempo

El equipo de investigadores es liderado por Rubén Hurtado Gutiérrez e integrado por los profesores Carlos Pérez Espigares y Pablo Hurtado, del Departamento de Electromagnetismo y Física de la Materia de la UGR. A la vez, cuenta con la colaboración del profesor Federico Carollo, de la UT, quienes propusieron un nuevo camino para usar este fenómeno natural para crear cristales de tiempo.

Hurtado señaló que el concepto del tiempo ha desafiado a físicos y filósofos por igual desde la antigüedad. Parafraseando a san Agustín de Hipona, “¿Qué es, pues, el tiempo? Si nadie me lo pregunta, lo sé; pero si quiero explicárselo al que me lo pregunta, no lo sé”.

“La relatividad de Einstein nos enseñó que el tiempo es de alguna manera flexible, y que está inextricablemente unido al espacio en un todo que conocemos como espacio-tiempo. Esta unificación einsteniana es, sin embargo parcial, ya que el tiempo sigue siendo especial en muchos sentidos” indicó el investigador.

“Podemos movernos adelante y atrás entre dos puntos cualesquiera en el espacio, pero no podemos visitar el pasado”, comentó Hurtado. “El tiempo tiene una flecha que apunta hacia donde aumenta la entropía, mientras que el espacio no tiene tal flecha. Es más, las simetrías del tiempo también exhiben peculiaridades interesantes”, agregó.

La ruta inexplorada

En el estudio proponen una ruta inexplorada hasta ahora para construir cristales de tiempo. Basada en la observación reciente de ruptura espontánea de la simetría de traslación temporal en las fluctuaciones de sistemas de muchas partículas. Estas transiciones de fase dinámicas (DPTs, por sus siglas en inglés) aparecen en el espacio de trayectorias. Cuando se condiciona a un sistema físico a realizar una fluctuación rara o improbable de ciertos observables, como, por ejemplo, la corriente de partículas.

Usando herramientas de análisis espectral, los científicos han demostrado inequívocamente la relación entre estas DPTs y los cristales de tiempo. Curiosamente, estos eventos raros se pueden convertir en típicos mediante una transformación de la dinámica microscópica de las partículas, que se puede interpretar en términos de la dinámica original complementada con un campo externo inteligente. Esto permite que este comportamiento de cristal temporal, que antes era muy improbable, pueda ser aprovechado de forma práctica.

Basándose en estas observaciones, los investigadores plantean un modelo de fluido fuera del equilibrio. Representando una transición de fase de tipo cristal de tiempo, que rompe la simetría de traslación temporal y muestra rigidez, movimiento periódico coherente robusto y orden espacio-temporal de largo alcance. En este trabajo también se discute cómo crear estos cristales de tiempo en el laboratorio a partir de fluidos coloidales en trampas ópticas y bajo campos de empaquetamiento externos generados con pinzas ópticas.

Diseño de relojes más precisos

Los investigadores de la UGR argumentaron que «estos resultados son importantes porque abren un camino inexplorado para entender mejor el tiempo y sus simetrías. Mientras que, a nivel práctico, nos enseñan nuevas formas de crear cristales de tiempo. Esto es especialmente relevante en campos como la metrología, para el diseño de relojes más precisos. Incluso, en computación cuántica, donde los cristales de tiempo pueden utilizarse para simular estados fundamentales o diseñar ordenadores cuánticos más robustos. Frente a la decoherencia, con las posibilidades tecnológicas que esto conlleva.

Para realizar las simulaciones de este trabajo, los científicos han empleado el superordenador Proteus, perteneciente al Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional de la UGR. Es uno de los superordenadores de cálculo científico general más potentes de España, con una capacidad de cálculo de más de 90TeraFlops. Lo logra gracias a sus más de 2300 núcleos de procesamiento, 7.5 Terabytes de RAM y 380TeraBytes de almacenamiento de datos.

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