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Investigadores han confirmado experimentalmente la existencia de cuasicristales de tiempo, una nueva fase de la materia que presenta patrones temporales cuasiperiódicos. Este descubrimiento, logrado en espines en diamante, abre nuevas posibilidades en la física cuántica y podría impactar la computación cuántica y la metrología de precisión.
Esquema del experimento donde los impulsos de microondas generan un cuasicristal de tiempo en un sistema de espines dentro de un diamante
Los cuasicristales de tiempo se mantienen estables frente a pequeñas perturbaciones, como muestran los picos bien definidos en estas gráficas
Los defectos en la estructura cristalina del diamante, como los centros de vacancia de nitrógeno, permiten manipular espines cuánticos y han sido clave en la demostración experimental de los cuasicristales de tiempo
El concepto de cristales de tiempo ha fascinado a los físicos desde que Frank Wilczek propuso la idea en 2012. Estos sistemas exóticos desafían la intuición al exhibir patrones repetitivos en el tiempo, de manera análoga a los cristales espaciales. Investigaciones anteriores han demostrado la existencia de cristales de tiempo con orden topológico en procesadores cuánticos.
Sin embargo, los cristales de tiempo descubiertos hasta ahora han sido estructuras periódicas, es decir, su repetición en el tiempo sigue un ritmo predecible. Un nuevo estudio publicado en Physical Review X introduce un avance clave: la primera demostración experimental de cuasicristales de tiempo en un sistema cuántico.
Los investigadores han logrado estabilizar estas estructuras en un sistema de espines en diamante, utilizando impulsos de microondas aplicados en intervalos cuasiperiódicos. A diferencia de los cristales de tiempo convencionales, estos cuasicristales de tiempo presentan patrones temporales a múltiples frecuencias incomensurables, una propiedad que nunca se había observado con tanta claridad en un entorno experimental controlado. El hallazgo amplía las fronteras de la física cuántica fuera del equilibrio y podría tener aplicaciones en la computación cuántica y la metrología de precisión.
Un cuasicristal de tiempo es una fase de la materia que rompe la simetría temporal, pero de una manera mucho más compleja que un cristal de tiempo convencional. Mientras que los cristales de tiempo responden a un impulso externo con un período fijo, los cuasicristales de tiempo generan patrones que combinan varias frecuencias que no son múltiplos exactos entre sí.
Para entender esta diferencia, pensemos en la música: un cristal de tiempo sería como una batería tocando un ritmo estable y repetitivo, mientras que un cuasicristal de tiempo se parecería más a una composición de jazz con patrones rítmicos que interactúan de manera no trivial. En este nuevo estudio, los autores explican que las respuestas subarmónicas del sistema aparecen en combinaciones lineales de dos frecuencias incommensurable. Esto significa que el sistema no solo responde con una periodicidad fija, sino que genera patrones de oscilación a frecuencias inesperadas, lo que confirma la presencia de una nueva forma de orden temporal.
Para demostrar la existencia de estos cuasicristales de tiempo, los investigadores utilizaron un sistema de centros de vacancia de nitrógeno (NV) en diamante. Estos defectos en la red cristalina del diamante actúan como espines cuánticos que pueden manipularse con microondas. Aplicando una secuencia de impulsos en dos frecuencias incommensurables, lograron inducir un comportamiento cuasicristalino en el tiempo.
Uno de los aspectos clave del experimento es que las interacciones entre los espines ayudan a estabilizar el cuasicristal de tiempo. Los autores encontraron que, cuando las interacciones son lo suficientemente fuertes, el sistema mantiene su orden temporal a lo largo de muchas oscilaciones, resistiendo pequeñas perturbaciones en los impulsos de microondas.
Este resultado es fundamental porque demuestra que los cuasicristales de tiempo pueden existir como una fase robusta de la materia, y no solo como un fenómeno transitorio o dependiente de condiciones extremadamente precisas.
El hallazgo tiene implicaciones tanto teóricas como experimentales. Hasta ahora, los estudios sobre cuasicristales de tiempo habían sido predominantemente teóricos o se habían realizado en sistemas donde la estabilidad no estaba garantizada. Este experimento es la primera confirmación experimental en un sistema cuántico bien controlado, lo que abre la puerta a nuevas investigaciones sobre fases de la materia fuera del equilibrio.
Por otra parte, los cuasicristales de tiempo podrían ser útiles en tecnologías cuánticas. Las oscilaciones a múltiples frecuencias pueden aprovecharse en relojes atómicos y en mediciones de ultra precisión, donde la capacidad de mantener una referencia temporal estable es crucial. También podrían desempeñar un papel en la computación cuántica, ya que la manipulación de estados de espín en estos sistemas podría usarse para almacenar y procesar información cuántica de manera más eficiente.
El estudio abre nuevas preguntas sobre el comportamiento de estos sistemas en diferentes condiciones. Los autores sugieren que futuras investigaciones podrían explorar la relación entre los cuasicristales de tiempo y la localización cuántica, un fenómeno en el que las interacciones pueden evitar que un sistema cuántico se thermalice y pierda su orden.
Otra dirección interesante es la posibilidad de crear cuasicristales de tiempo en otras plataformas físicas, como átomos ultrafríos o circuitos superconductores. Si se logra extender este comportamiento a otros sistemas, se podrían desarrollar nuevas estrategias para el almacenamiento y manipulación de información cuántica, lo que podría revolucionar el campo de la computación cuántica.
Referencias
