Crean el primer cristal de tiempo observable a simple vista

No es la única vez que alguien crea un cristal de tiempo en un laboratorio, pero sí la primera en que ese cristal de tiempo resulta visible, lo que abre las puertas a un gran número de aplicaciones. Hasta ahora, en efecto, los cristales de tiempo solo existían en el escurridizo mundo de la física cuántica, en entornos microscópicos donde las partículas se comportan de forma extraña e imprevisible.

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Crean, por primera vez, un cuasicristal de tiempo

José Manuel Nieves

Un equipo internacional de físicos acaba de 'rizar el rizo' al crear un tipo de cristal de tiempo totalmente nuevo, un 'cuasicristal de tiempo' que nunca repite la forma en que organiza sus átomos y que promete ser toda una revolución para la mecánica cuántica

«Se pueden observar directamente bajo un microscopio -explica Hanqing Zhao, autor principal del estudio publicado hace apenas unos días en 'Nature materials'- e incluso, en condiciones especiales, a simple vista«. Ni que decir tiene que el trabajo marca un antes y un después en el estudio de estos fenómenos.

La hazaña de los físicos de Colorado tiene el mérito, además, de no haberse logrado gracias al uso de complejas y carísimas máquinas cuánticas, sino con un material que, como hemos dicho, conocemos bien desde hace tiempo: los cristales líquidos, esa especie de 'sopa' de moléculas alargadas que se comportan a la vez como sólidos y líquidos y que son comunes en las pantallas de nuestros dispositivos domésticos, desde los móviles a los televisores.

Bajo la dirección del físico Ivan Smalyukh, los investigadores crearon una delgada película de cristales líquidos y la 'atraparon' entre dos placas de vidrio. El 'truco' consiste en que una de las placas estaba cubierta con moléculas fotosensibles que, al ser expuestas a la luz, cambiaban su orientación.

Al incidir un haz de luz, incluso el producido por una bombilla corriente, estas moléculas sensibles ponían en marcha una especie de 'efecto dominó' en los cristales líquidos. Debido a las fuerzas intermoleculares, las moléculas de cristal líquido, que habitualmente se orientan en la misma dirección, empezaron a girar y a retorcerse.

Pero la cosa no terminó ahí. El movimiento, lejos de detenerse, se propagó por toda la muestra como si fuera una ola, creando un patrón de ondulaciones y giros que se repetía una y otra vez, y con un ritmo distintivo que persistía durante horas.

La clave del experimento, y lo que lo convierte en un auténtico cristal de tiempo, es que este ritmo se mantenía sin necesidad de sincronizarse con la fuerza que lo había iniciado, la luz. Era como si el reloj se hubiera puesto en marcha y, a partir de ese momento, su tic-tac interno y autónomo se hubiera independizado por completo de su fuente inicial de energía. Y, aún más sorprendente, este peculiar 'baile' molecular demostró ser increíblemente robusto: el patrón de las ondas se mantenía estable y rígido incluso cuando los científicos modificaban la temperatura o la intensidad de la luz inicial.

Para poder ver con sus propios ojos este fenómeno en acción, los investigadores utilizaron un microscopio especial que transmite luz polarizada, revelando las ondulaciones como una serie de franjas claras y oscuras (ver vídeo). Pero la magnitud de estas formaciones, que oscila desde unos pocos milímetros a varios centímetros de ancho, es tal que, en las condiciones adecuadas, puede percibirse incluso a simple vista, un hecho sin precedentes en este campo de investigación.

Para entender mejor la importancia de este avance, retrocedamos hasta 2012, el año en que el premio Nobel de Física Frank Wilczek propuso por primera vez la idea de los cristales de tiempo. Wilczek, conocido por sus trabajos sobre el Universo y sus partículas elementales, se planteó entonces una pregunta fascinante: si los cristales convencionales, como el cuarzo o la sal de mesa, son estructuras que rompen la 'simetría de traslación espacial' -es decir, sus átomos se ordenan en un patrón que se repite periódicamente en el espacio-, ¿podría existir un material que hiciera lo mismo, pero en el tiempo?

La idea consistía en un sistema que, en su estado de mínima energía (su estado fundamental o de 'reposo'), no estuviera completamente quieto, sino que se moviese en un patrón rítmico, como un péndulo, para siempre. Su concepto original, sin embargo, una máquina de movimiento perpetuo, demostró ser matemáticamente imposible. Y es que el principio fundamental de la conservación de la energía, piedra angular de toda la física, dice que un sistema en su estado de equilibrio no puede cambiar de forma espontánea, sino que necesita que una fuerza le obligue a hacerlo.

La versión original de Wilczek, por lo tanto, no podía ser. Pero pronto se descubrió que otros tipos de cristales de tiempo eran perfectamente posibles en sistemas que, en lugar de estar en reposo, se encuentren en movimiento, es decir 'fuera de equilibrio'.

Desde entonces, numerosos investigadores han fabricado cristales de tiempo de diversas formas: se ha conseguido su existencia efímera en pequeños defectos de la red atómica de los diamantes, se han creado usando iones atrapados en campos electromagnéticos, y hasta en el corazón de un ordenador cuántico, el Sycamore de Google. Pero todos estos ejemplos eran microscópicos, fugaces y extremadamente difíciles de mantener.

Y ahí es donde radica la genialidad del nuevo trabajo: el equipo de la Universidad de Colorado no solo ha logrado un cristal de tiempo que se puede ver, sino que además es robusto, dura horas, y se puede 'fabricar' con una simple bombilla.

En resumen, un avance cuya importancia va mucho más allá de la mera curiosidad científica. La solidez y la escala de este nuevo cristal de tiempo abren, de hecho, un sinfín de puertas a aplicaciones tecnológicas que hasta hace poco eran impensables. Por ejemplo, la capacidad de estos cristales de mantener un patrón rítmico sin consumir energía podría ser el primer paso para crear relojes atómicos ultraestables, dispositivos de altísima precisión para sistemas como el GPS.

Aunque quizás la aplicación más inmediata y visualmente impactante sea la de los dispositivos anti-falsificación. Los autores del estudio, en efecto, proponen incrustar finas capas de este material en billetes o documentos de valor. Iluminadas por cualquier fuente de luz, esas capas producirían un patrón rítmico que funcionaría como una 'marca de agua temporal', una especie de código de barras que cambia y se mueve en el tiempo. Y si se apilaran diferentes cristales con patrones distintos, el resultado sería una especie de código de barras bidimensional cambiante, una 'huella dactilar' del tiempo que sería prácticamente imposible de falsificar.

En palabras de Ivan Smalyukh, uno de los líderes de la investigación, «no queremos ponerle un límite a las aplicaciones en este momento. Creo que hay oportunidades de llevar esta tecnología en todo tipo de direcciones».