Frank Wilczek propone la existencia de cristales de tiempo

¿Qué es un cristal? Un sistema de átomos cuyo estado de mínima energía es periódico en el espacio. Un cristal de tiempo es un sistema de átomos cuyo estado de mínima energía es periódico tanto en espacio como en tiempo. Quizás habría que llamarles cristales de espacio y tiempo, o simplemente cristales oscilantes, pero Frank Wilczek, en un alarde de genialidad, ha decidido llamarles cristales de tiempo. Un nombre realmente sugerente. Sus dos últimos artículos en Physical Review Letters estudian la física clásica y la física cuántica de los cristales de tiempo. Lo más sorprendente es que se publica en el mismo número de PRL un artículo que presenta un esquema de cómo se puede fabricar un cristal de tiempo utilizando trampas magnéticas anulares de iones a muy baja temperatura, similares a las utilizadas por Wineland, Premio Nobel de Fïsica 2012; en esta propuesta, los iones forman un cristal debido a su repulsión eléctrica de Coulomb y rotan de manera permanente en el estado fundamental debido al campo magnético aplicado mediante técnicas láser. Según los autores, la rotación permanente de los átomos es robusta y podría ser observada mediante experimentos. Con el Premio Nobel de Física aún fresquito sobre estas tecnologías, muchos físicos experimentales ya estarán pensando en cómo implementar estas ideas y ser los primeros en lograr fabricar cristales de tiempo (o cristales de espacio y tiempo, nombre preferido por Tongcang Li et al.). Nos lo cuenta Jakub Zakrzewski, “Viewpoint: Crystals of Time,” Physics 5: 116, October 15, 2012, que se hace de los artículos de Alfred Shapere, Frank Wilczek, “Classical Time Crystals,” Phys. Rev. Lett. 109: 160402, October 15, 2012 [PDF gratis], Frank Wilczek, “Quantum Time Crystals,” Phys. Rev. Lett. 109, 160401, October 15, 2012 [PDF gratis], y Tongcang Li, Zhe-Xuan Gong, Zhang-Qi Yin, H. T. Quan, Xiaobo Yin, Peng Zhang, L.-M. Duan, Xiang Zhang, “Space-Time Crystals of Trapped Ions,” Phys. Rev. Lett. 109, 163001, October 15, 2012 [PDF gratis].

La idea de Frank Wilczek parte de uno de los temas de moda hoy en día, la rotura espontánea de la simetría (que es el fenómeno responsable de que el campo de Higgs cambie de propiedades por debajo de cierta energía crítica y se acople a todas las partículas fundamentales dándoles masa). En la rotura de la simetría significa que la solución (estable) a una ecuación matemática tiene menos simetría que una solución genérica a dicha ecuación (o si se prefiere, que las soluciones que preservan toda la simetría son inestables y decaen en soluciones estables que pierden parte de dicha simetría). No hay que irse a la teoría cuántica de campos para observar este ubicuo fenómeno, por ejemplo, las órbitas elípticas de Kepler para un planeta en el campo gravitatorio con simetría esférica producido por el Sol son un ejemplo de rotura de la simetría, pues las órbitas no tienen la simetría esférica del campo. En este caso no se trata de una rotura espontánea de la simetría porque la palabra “espontánea” se usa cuando el fenómeno le ocurre al estado fundamental (o de mínima energía) de la teoría.

En la Naturaleza, el ejemplo más conocido de rotura espontánea de la simetría son los cristales, en los que la simetría continua de traslaciones de los átomos en el espacio está rota y en su lugar aparece la simetría discreta periódica del cristal. Alfred Shapere (Univ. Kentucky, Lexington, EEUU) y Frank Wilczek (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, EEUU) proponen que la rotura espontánea de la simetría también permite que el estado fundamental de un sistema clásico de átomos puede ser periódico en tiempo, de manera similar a como en un cristal es periódico en espacio, a lo que llaman cristales clásicos de tiempo. En estos sistemas, los átomos en el estado fundamental se encuentran oscilando o rotando de forma periódica. Puede parecer que es imposible lograrlo, ya que el estado de mínima de energía de un sistema que puede rotar debería ser no rotar (estar quieto), pero si la relación entre la velocidad y el momento es no lineal, la energía puede ser una función multivaluada del momento y tener un mínimo en el que la velocidad no es cero. Obviamente, el problema es descubrir un sistema real que tenga una relación entre la velocidad y el momento tan exótica como para ser no lineal.

Frank Wilczek en un segundo artículo extiende esta idea a los cristales de tiempo cuánticos y descubre que hay fenómenos cuánticos que permiten que el estado fundamental se encuentre rotando u oscilando. Para ello considera un sistema anular descritos por una ecuación de Schrödinger no lineal cuyas soluciones de tipo solitón (ondas solitarias que mantienen su forma al propagarse) pueden acoplarse a un campo magnético externo de tal forma que en el estado fundamental dichos solitones rotan de forma permanente. Wilczek nos propone que un anillo superconductor que puede soportar una corriente eléctrica permanente en su estado de mínima energía podría permitir una realización física de este sistema gracias a que la fase superconductora se comporta como un condensado de Bose-Einstein que puede presentar solitones en ciertas circunstancias; obviamente, su propuesta es más teórica que práctica y Wilczek no considera los problemas de ingeniería que acarrea fabricar dicho sistema.

Una propuesta mucho más sencilla es la realizada por Tongcang Li (Univ. of California, Berkeley, EEUU) y sus colegas. Un sistema de átomos neutros con una interacción mutua atractiva (aunque sea débil) se puede acoplar un láser (con técnicas de óptica cuántica similares a las que han recibido el Premio Nobel de Física 2012) para emular el efecto de un campo magnético. Si estos átomos (por ejemplo, de berilio) se enfrían a muy baja temperatura hasta que se condensan en un estado de Bose-Einstein (para el berilio serían unos nanokelvin) en un trampa con forma de anillo (que el grupo de Wineland ya ha utilizado en alguno experimentos), el efecto del láser crearía vórtices en el condensado que se pondrían a rotar, emulando el movimiento de los solitones propuesto por Wilczek. El artículo de Li et al. explica bastantes detalles técnicos de su propuesto, a la vista de los cuales parece que es factible con las técnica actuales.

Zakrzewski nos recuerda que aunque los cristales de tiempo suenan próximos a una máquina de movimiento perpetuo, hay una gran diferencia: en los cristales de tiempo el movimiento periódico y eterno de los átomos ocurre en el estado fundamental del sistema y por tanto no se puede extraer trabajo (ni energía útil) de dicho sistema. La realización física de los cristales de tiempo no viola ninguna de las leyes de la termodinámica. ¿Para qué podrían servir entonces? Quizás podrían usarse como relojes a escala cuántica, aunque lo más interesante podría ser utilizarlos como análogos físicos para estudiar la rotura espontánea de la simetría en sistemas cuánticos.

8 Comentarios

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Antonio Alfonso FausAntonio Alfonso Faus

Hola Francis: Sobre tu comentario…” la rotura espontánea de la simetría (que es el fenómeno responsable de que el campo de Higgs cambie de propiedades por debajo de cierta energía crítica y se acople a todas las partículas fundamentales dándoles masa). ” ¿Podrías decirme donde encontrar la fórmula físico-matemática que proporciona la energía crítica, por lo menos un orden de magnitu? Gracias

emulenewsemulenews

Antonio, la transición de fase electrodébil es una de las cosas que se quiere estudiar en detalle gracias al bosón de Higgs, pero requiere estudiar las interacciones mutuas entre dos bosones de Higgs, por lo que no se sabe si en el LHC se podrán estudiar o habrá que esperar a una fábrica de Higgs como el futuro ILC.

La energía a la que se produce la transición de fase depende del tipo de transición de fase, que a su vez depende de los detalles del potencial del campo de Higgs, pero es del orden de la energía del vacío del campo tras la transición, es decir, 246 GeV.

Por tanto, el orden de magnitud de esta energía es del orden de 250 GeV.

amarashiki

Today, a very interesting short remark/comment to the Time Crystal idea by Wilczek arised in the arxiv http://arxiv.org/abs/1210.4128

About the Higgs factory, I agree, we will have to wait for the ILC or maybe the LEP3 proposal to be accomplished at the same LHC collider.

Let me add that I find intriguing since the discovery the past month of July that the electroweak v.e.v. about 250 GeV is very close (but it is not exactly, it seems) to two times the Higgs mass 125-127GeV and very close to the reciprocal of the dimensionless fine structure constant evaluated at the Z pole mass/energy. If this has a deeper meaning or it is just a curious coincidence is something I can not understand at current time. 125 GeV is closer to the one-half of the v.e.v. 126 GeV is a magical number in GeV and 127 is a prime number, almost close to the $latex 1/alpha (M_Z)approx 128$. Numerology is everywhere, but there is no compelling model to derive the Higgs mass. Some other Higgs mass predictions/guesses BEFORE the LHC announcement can be found here

http://arxiv.org/abs/0708.3344

CésarCésar

Me vas a perdonar Paco que me ponga estupendo con la frase de entrada: “¿Qué es un cristal? Un sistema de átomos cuyo estado de mínima energía es periódico en el espacio.” La periodicidad por si misma no define la cristalinidad. Ni siquiera la referencia al espacio. Todos los compuestos químicos alcanzan niveles de mínima energía que son periódicos en el corto alcance, pero no por ello son cristales. Para hablar de cristalinidad hay que incluir periodicidad, simetría rotacional y mantenimiento de ambas a distancias mucho mayores que la intermolecular.

Por otra parte la periodicidad de los cuasicristales se convierte en cuasiperiodicidad cuando se proyecta en tres dimensiones. Los cristales serían periódicos en espacios de 6 dimensiones (o más).

Rolando Hernandez

en mis libros titulado; Testamento del Cosmos, copyright, 2006-2008 y Postulado de 9 Dimensiones, osea, en mis teorias, a estos cristales le nombro DIAMANTES reflectores que tambien amplifican y fortalencen a los rayos de luz, y son los que mantiene la velocidad de la luz, con su mismo impulso, ahora bien si debo destacar, han separado a la fisica de la quimica, y sin la quimica, no hay fisica, o lo mismo podriase decir que al no haber fisica, no puede haber quimica, todos los cuerpos, tienen una forma fisica y una forma quimica, esto hace que los fisicos y los quimicos propongan una pared, que no existe, o entonces, por que estan buscando particulas, que son componentes quimicos, de la misma constitucion que el atomo y que estan y son mucho mas pequenos que el atomo y que componen a la fisica en toda su extension. tambien he estado hace varios anios, explicando que los discos duros de las computadoras, las estan nombranod por su capacidad erronea, no son gigabites, ni terabites, sus capacidades, y da pena que los fisicos, no se hayan percatado de dicho error, eso indica que nunca podrian comprender a la 4ta dimension, estas potencias, no se pueden catalogar en gigas, sino como nano, 0.001-3/10-9, ni tampoco teras, sino como pico, 0.001-4, sino que tienen que catalogarlas asi, hasta los ingenieros, que habian tenido la delicadeza de proteger los valores de la micra, los nanos ahora que estan en boga, y hasta los picos, por ser unidades muy importante en los capacitores. deberian de recapitular este error, porque no podran entonces nunca encontrar a la dicha 4ta dimension y no la entenderan nunca, milagro que los fisicos no se hayan dado de cuenta de dicho error.

Jose AntonioJose Antonio

¿No me diga?. Y ¿por qué 9 dimensiones y no 12 como los apostoles de la biblia o 6 por mahoma?
Dice su libro ..”es un libro que fue escrito por mas de 23a en una investigacion constante, no es solo sacado de la biblia sus datos, sino que explico sus formas, todo en su contenido busca las formas mas simples de explicacion, es una fisica que puede obtenerse hasta sin estudios ni algebra, es la fisica del futuro, porque muchos cientificos usan las formulas algebraicas parta buscar lo que esta unido y que no se puede separar, pero que no se puede encontrar si no se hace por separado y primero tienen que saber como esta la creacion separada. disfrutenlo y diviertanse aprendiendo la verdad que le rodea. Rolando Hernandez Rivero”.
¿Cierto?

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