Físicos en Finlandia son los últimos científicos en crear «cristales de tiempo», una fase de la materia recientemente descubierta que existe solo en escalas atómicas diminutas y temperaturas extremadamente bajas, pero que también parece desafiar una ley fundamental de la naturaleza: la prohibición del movimiento perpetuo.
El efecto solo se ve en condiciones mecánicas cuánticas (que es cómo interactúan los átomos y sus partículas) y cualquier intento de extraer trabajo de dicho sistema lo destruirá. Pero la investigación revela más de la naturaleza contraria a la intuición del reino cuántico: la escala más pequeña del universo que, en última instancia, influye en todo lo demás.
Los cristales de tiempo no tienen ningún uso práctico y no se parecen en nada a los cristales naturales. De hecho, no se parecen mucho en absoluto. En cambio, el nombre «cristal de tiempo», del que cualquier ejecutivo de marketing estaría orgulloso, describe sus cambios regulares en los estados cuánticos durante un período 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 algún día podrían crear memoria para las computadoras cuánticas. Pero el objetivo más inmediato de dicho trabajo es aprender más sobre la mecánica cuántica, dijo el físico Samuli Autti, profesor e investigador en la Universidad de Lancaster en el Reino Unido.
Y así como el mundo moderno se basa en los efectos mecánicos cuánticos dentro de los transistores, existe la posibilidad de que estos nuevos artefactos cuánticos algún día puedan resultar útiles.
“Tal vez los cristales de tiempo eventualmente impulsarán algunas funciones cuánticas en su teléfono inteligente”, dijo Autti.
Autti es el autor principal de un estudio publicado en Nature Communications el mes pasado que describió la creación de dos cristales de tiempo individuales dentro de una muestra de helio y sus interacciones magnéticas a medida que cambiaban de forma.
Él y sus colegas en el Laboratorio de Baja Temperatura de la Universidad Aalto de Helsinki comenzaron con gas helio dentro de un tubo de vidrio y luego lo enfriaron con láseres y otros equipos de laboratorio a solo una diezmilésima de grado por encima del cero absoluto (alrededor de menos 459,67 grados). Fahrenheit).
Luego, los investigadores usaron un 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 indica que se habían formado. un “cristal” en el tiempo.
A temperaturas tan extremadamente 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 por debajo 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».
El estudio de los cristales de tiempo es parte de la investigación de la física cuántica, que puede volverse desconcertante rápidamente. 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 pueden ser dos valores diferentes al mismo tiempo. Las partículas cuánticas también pueden enredar y teletransportarse. Los físicos todavía lo están descifrando todo.
Los cristales de tiempo se encuentran entre las muchas características extrañas de la física cuántica. En los cristales normales como el hielo, el cuarzo o el diamante, los átomos se alinean en una posición física particular, un pequeño efecto que conduce a sus distintivas formas regulares a escalas más grandes.
Pero las partículas en un cristal de tiempo existen en uno de dos estados diferentes de baja energía dependiendo de cuándo las mires, es decir, su posición en el tiempo. Eso da como resultado una oscilación regular que continúa para siempre, un verdadero tipo de movimiento perpetuo.
Sin embargo, tal movimiento perpetuo solo existe realmente para siempre en cristales de tiempo ideales que no han sido fijados en un estado u otro, y dado que los cristales de tiempo en los experimentos de la Universidad Aalto no eran ideales, duraron solo unos minutos antes de «derretirse». ” y comenzó a comportarse normalmente, dijo Autti.
La misma limitación significa que no hay forma de explotar el movimiento perpetuo: un cristal de tiempo simplemente se detendría, se «derretiría», 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, quien recibió el Premio Nobel de física en 2004 por su trabajo sobre la fuerza subatómica «fuerte» que mantiene a los quarks dentro de los protones y neutrones de los núcleos atómicos, uno de los fuerzas fundamentales del universo. Ellos eran detectado por primera vez en 2016 en experimentos con iones del iterbio, un metal de tierras raras, en la Universidad de Maryland.
Los cristales de tiempo solo se han hecho un puñado de veces desde entonces, ya que crearlos es extremadamente difícil. Pero los experimentos de la Universidad Aalto insinúan una forma de hacerlos más fácilmente y por más tiempo. Esta fue también la primera vez que se utilizaron dos cristales de tiempo para formar cualquier tipo de sistema.
El físico Achilleas Lazarides, profesor de la Universidad de Loughborough en el Reino Unido, realizó una investigación teórica sobre cristales de tiempo que ayudó en la creación de un simulación cuántica de trabajo de ellos en una computadora cuántica especializada operada por el gigante tecnológico Google.
Lazarides, que no participó en el último estudio, explicó que el movimiento perpetuo en el tiempo de los cristales tiene lugar al margen de las leyes de la termodinámica, que se desarrollaron en el siglo XIX a partir de ideas anteriores sobre la conservación de la energía.
Por lo general, se afirma que la energía de trabajo total de un sistema solo puede disminuir, lo que significa que el movimiento perpetuo es imposible, algo que se confirma a lo largo de siglos de experimentos.
Pero los cambios cuánticos en los estados de baja energía de los núcleos en los cristales de tiempo no crean ni usan energía, por lo que la energía total de dicho sistema nunca aumenta, un caso especial permitido por las leyes de la termodinámica, dijo.
Lazarides reconoció que los experimentos actuales con cristales de tiempo están lejos de cualquier aplicación práctica, sean las que sean, pero la oportunidad de aprender más sobre la mecánica cuántica es invaluable.
Los cristales de tiempo son «algo que en realidad no existe en la naturaleza», dijo. “Hasta donde sabemos, creamos esta fase de la materia. Si algo saldrá de eso, es difícil de decir”.