Ciencia.-Un cristal de tiempo hecho de átomos gigantes

En la Universidad de Tsinghua en China, con el apoyo de la Universidad Técnica de Viena, se ha logrado crear un tipo de cristal de tiempo hecho de átomos gigantes.

El equipo utilizó luz láser y tipos especiales de átomos, en concreto átomos de Rydberg, con un diámetro varios cientos de veces mayor que el normal. Los resultados se han publicado en la revista Nature Physics.

Un cristal es una disposición de átomos que se repite en el espacio a intervalos regulares: en cada punto, el cristal parece exactamente igual. En 2012, el 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 podría ser posible que surja un ritmo periódico, aunque no se imponga un ritmo específico al sistema y la interacción entre las partículas sea completamente independiente del tiempo?

Durante años, la idea de Frank Wilczek provocó mucha controversia. Algunos consideraban que los cristales de tiempo eran imposibles en principio, mientras que otros intentaban encontrar lagunas y realizar cristales de tiempo en determinadas condiciones especiales.

RUPTURA ESPONTÁNEA DE LA SIMETRÍA El tictac de un reloj es también un ejemplo de movimiento periódico en el tiempo. Sin embargo, no se produce por sí solo: alguien debe haber dado cuerda al reloj y haberlo puesto en marcha a una hora determinada. Esta hora de inicio determina entonces el momento de los tictac.

En el caso de un cristal de tiempo, la cosa es distinta: Según la idea de Wilczek, una periodicidad debería surgir espontáneamente, aunque en realidad no exista ninguna diferencia física entre distintos puntos del tiempo.

«La frecuencia de los tictac está predeterminada por las propiedades físicas del sistema, pero los momentos en los que se produce el tictac son completamente aleatorios; esto se conoce como ruptura espontánea de la simetría», explica el profesor Thomas Pohl del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena.

Pohl se encargó de la parte teórica de la investigación que ha conducido ahora al descubrimiento de un cristal de tiempo en la Universidad de Tsinghua (China): se hizo brillar una luz láser en un recipiente de vidrio lleno de un gas de átomos de rubidio. Se midió la intensidad de la señal luminosa que llegaba al otro extremo del recipiente.

«En realidad, se trata de un experimento estático en el que no se impone ningún ritmo concreto al sistema», explica 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 extremo de la célula de cristal empieza a oscilar siguiendo patrones muy regulares».

La clave del experimento fue preparar los átomos de una forma especial: los electrones de un átomo pueden recorrer diferentes trayectorias alrededor del núcleo, dependiendo de la cantidad de energía que tengan. Si se añade energía al electrón más externo de un átomo, su distancia al núcleo atómico puede llegar a ser muy grande.

En casos extremos, puede estar varios cientos de veces más lejos del núcleo de lo habitual. De esta forma se crean átomos con una capa de electrones gigante, los llamados átomos de Rydberg.

«Si los átomos de nuestro recipiente de cristal se preparan en esos estados de Rydberg y su diámetro se vuelve enorme, entonces las fuerzas entre estos átomos también se vuelven muy grandes», explica Pohl.

«Y eso, a su vez, cambia la forma en que interactúan con el láser. Si se elige la luz láser de tal manera que pueda excitar dos estados de Rydberg diferentes en cada átomo al mismo tiempo, se genera un bucle de retroalimentación que provoca oscilaciones espontáneas entre los dos estados atómicos. Esto, a su vez, también conduce a la absorción de luz oscilante».

Por sí solos, los átomos gigantes tropiezan con un ritmo regular, y este ritmo se traduce en el ritmo de la intensidad de la luz que llega al final del recipiente de vidrio.

«Hemos creado un nuevo sistema que proporciona una plataforma poderosa para profundizar nuestra comprensión del fenómeno del cristal de tiempo de una manera que se acerca mucho a la idea original de Frank Wilczek», dice Pohl.

«Las oscilaciones precisas y autosostenidas podrían usarse para sensores, por ejemplo. Los átomos gigantes con estados de Rydberg ya se han utilizado con éxito para tales técnicas en otros contextos».