Físicos afirman haber creado el primer cristal de tiempo discreto

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Un cristal de tiempo de Wilczek es un sistema en equilibrio prohibido por las leyes de la termodinámica, como los móviles perpetuos. Igual que los móviles, a secas, no están prohibidos, los “cristales de tiempo” fuera del equilibrio tampoco lo están. Una propuesta teórica de físicos de la Universidad de California en Berkeley, EE.UU., ha sido recreada en un laboratorio de la Universidad de Maryland, EE.UU. Un cristal de tiempo discreto formado por una ristra lineal de iones de iterbio cuyos espines interaccionan entre sí y que está forzado fuera del equilibrio por un láser a cierta frecuencia; se afirma que se trata de un “cristal de tiempo” porque se observa la generación de un subarmónico, ya que los iones interaccionan a la mitad de la frecuencia de excitación del láser.

Un móvil con un motor alimentado por combustible no es un móvil perpetuo. En mi opinión, el “cristal de tiempo” discreto forzado por láser recreado en laboratorio no es un cristal de tiempo de Wilczek, que consiste en un anillo de iones cerrado cuyos espines rotan de forma espontánea al bajar la temperatura. La rotura espontánea de la simetría de traslación en el tiempo en un sistema cerrado propuesta por Wilczek y la rotura forzada de la simetría de traslación en el tiempo en un sistema abierto recreada en el laboratorio me parecen tan diferentes que no merecen el mismo nombre, “cristal de tiempo”. A pesar de ello, Wilczek ha declarado que está muy contento porque se haya creado el primer “cristal de tiempo” en laboratorio.

La polémica está servida en bandeja. El artículo, que por su formato parece haber sido enviado a Nature Physics, es J. Zhang, P. W. Hess, …, C. Monroe, “Observation of a Discrete Time Crystal,” arXiv:1609.08684 [quant-ph]. La propuesta teórica de estos “cristales de tiempo” discretos fuera del equilibrio es de Norman Y. Yao, Andrew C. Potter, …, Ashvin Vishwanath, “Discrete time crystals: rigidity, criticality, and realizations,” arXiv:1608.02589 [cond-mat.dis-nn]. Me he enterado porque en Twitter varios lectores me habéis pedido mi opinión a raíz del artículo “Physicists Create World’s First Time Crystal,” Emerging Technology from the arXiv, 04 Oct 2016.

En este blog también puedes leer “Frank Wilczek propone la existencia de cristales de tiempo”, LCMF, 06 Oct 2012; “La polémica de los “cristales de tiempo””, LCMF, 10 Ene 2013; y “Nueva propuesta teórica para observar cristales de tiempo”, LCMF, 15 Abr 2014.

[PS] Recomiendo leer a Enrique Borja, “Cristales en el tiempo… check,” Cuentos Cuánticos, 07 Oct 2016, cuya visión es más positiva que la mía.

[PS 18 Ene 2017] Ya se ha publicado en PRL el artículo, N. Y. Yao, A. C. Potter, …, A. Vishwanath, “Discrete Time Crystals: Rigidity, Criticality, and Realizations,” Phys. Rev. Lett. 118: 030401 (18 Jan 2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.118.030401; Phil Richerme, “How to Create a Time Crystal,” Physics 10: 5 (18 Jan 2017).

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En el año 2012, Frank Wilczek, del MIT, EE.UU., Premio Nobel de Física 2004, junto a David Gross y David Politzer, propuso una idea exótica que llamó la atención de todos los medios, los cristales de tiempo cuánticos. El descubrimiento del bosón de Higgs puso de moda el concepto de rotura espontánea de la simetría. La exótica propuesta de Wilczek es que la rotura espontánea de la simetría de traslación en el tiempo, que conduce a la conservación de la energía por el teorema de Noether, en un sistema cuántico cerrado podría conducir a un estado análogo a un cristal, pero no en el espacio, sino en el tiempo. En un anillo formado por iones, de forma espontánea al bajar la temperatura, los iones empezarían a moverse como si de un móvil perpetuo se tratase. Los artículos son Frank Wilczek, “Quantum Time Crystals,” Phys. Rev. Lett. 109: 160401 (15 Oct 2012), doi: 10.1103/PhysRevLett.109.160401, arXiv:1202.2539 [quant-ph], y Alfred Shapere, Frank Wilczek, “Classical Time Crystals,” Phys. Rev. Lett. 109: 160402 (15 Oct 2012), doi: 10.1103/PhysRevLett.109.160402, arXiv:1202.2537 [cond-mat.other].

Wilczek generó una gran polémica. Físicos a favor y físicos en contra de los cristales de tiempo, fueran clásicos o cuánticos, se enfrentaron entre sí con artículos en varias revistas científicas. La solución llegó en el año 2015, cuando dos físicos japoneses, Haruki Watanabe, de la Universidad de California en Berkeley, EE.UU., y Masaki Oshikawa, de la Universidad de Tokio, Japón, resolvieron la cuestión como cabía esperar. Los cristales de tiempo de Wilczek violan las leyes de la termodinámica, como los móviles perpetuos, y no pueden existir en el mundo físico. Un teorema no-go que no deja lugar a dudas. El artículo es Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa, “Absence of Quantum Time Crystals,” Phys. Rev. Lett. 114: 251603 (24 Jun 2015), doi: 10.1103/PhysRevLett.114.251603, arXiv:1410.2143 [cond-mat.stat-mech].

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Listo, asunto resuelto. No tan rápido, vaquero. Como ocurre con muchos teoremas físicos no-go, existe un retruque (loophole), una objeción al argumento. Watanabe y Oshikawa asumen con Wilczek la hipótesis de que el cristal de tiempo está en equilibrio termodinámico. ¿Qué pasa si el cristal de tiempo está fuera del equilibrio? En rigor, según las ideas originales de Wilczek, llamarlo “cristal de tiempo” es abusar del término. Sin embargo, ya que no pueden existir los cristales de tiempo en equilibrio, como los móviles perpetuos, quizás los físicos acepten llamar “cristal de tiempo” a los sistemas fuera del equilibrio, como los móviles, que sí pueden existir. Esta es la propuesta de Ashvin Vishwanath y sus colegas de la Universidad de California en Berkeley, EE.UU.

Te preguntarás, ¿qué propiedad física distingue un “cristal de tiempo” de cualquier otro sistema físico fuera del equilibrio? La rotura de la simetría de traslación en el tiempo. Wilczek tenía en mente una rotura espontánea. Vishwanath y sus colegas proponen una rotura forzada en un sistema de Floquet periódicamente forzado (recuerda que un sistema de Floquet es un sistema descrito por ecuaciones diferenciales ordinarias bajo condiciones de contorno periódicas). Este tipo de sistemas muestran una resonancia y su periodo se ajusta al periodo (o frecuencia) del forzamiento. La propuesta de Vishwanath y sus colegas es que se llamará “cristal de tiempo” al sistema cuyo periodo sea un múltiple entero del periodo de forzamiento.

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En el experimento de laboratorio se considera una ristra de iones cuyos espines están acoplados entre sí y forzados por pulsos periódicos de un láser (un modelo de un sistema de Floquet forzado periódicamente). Esta cadena de espines se comporta como un cristal de tiempo discreto cuando aparecen subarmónicos sincronizados (oscilaciones de los espines cuyo periodo es un múltiplo del periodo de excitación, o su frecuencia es un submúltiplo de la frecuencia de excitación). Para poder observar una transición de fase se introduce un parámetro de orden ε (o mejor, de desorden). La figura de arriba ilustra el comportamiento del cristal de tiempo discreto, tanto sus subarmónicos, parte superior, como su espectro en frecuencia, parte inferior.

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Cuando el parámetro de orden ε crece (en laboratorio, cuando crece el acoplamiento entre espines, en la figura el “Interactions On”), se produce una transición de fase, el sistema se pone en resonancia y los subarmónicos desaparecen (en el espectro aparece un pico en lugar de dos, como se observa en la parte inferior de la figura). Tanto desde el punto de vista experimental, como teórico, este tipo de sistema no ofrece ninguna novedad en sí mismo. Lo que parece novedoso es que sea interpretado como un “cristal de tiempo” y que gracias a ello se recabe el eco mediático. No quiero entrar en más detalles técnicos, que nos desviarían del asunto que quiero comentar. Los interesados pueden consultar los artículos científicos.

Todavía estos dos artículos no están aceptados para publicación, pero si una revista prestigiosa como Nature Physics los aceptas, con seguridad, el término “cristal de tiempo” será asignado a este tipo de sistemas fuera del equilibrio, en lugar de a los sistemas en equilibrio propuestos por Wilczek. Como resultado, decenas, sino cientos, de artículos se publicarán con “cristales de tiempo” clásicos y cuánticos. Los artículos de Wilczek recibirán un gran número de citas y él estará muy orgulloso de haber creado una nueva rama de la Física. Sin embargo, si los artículos no fueran aceptados en revistas de prestigio, o si los revisores obligan a los autores a eliminar el término “cristal de tiempo” (como pasa con los artículos que afirman haber logrado un “móvil perpetuo”), entonces todo el mundo olvidará estos trabajos. La moda pasará.

En resumen, si te quieres creer que se han creado en laboratorio los “cristales de tiempo”, creételo. Si no te lo quieres creer, haces bien no creyendo todo lo que lees. En cualquier caso, como ha pasado con los memristores (que hoy en día no tienen nada que ver con la propuesta original de Chua), el consenso de los físicos acabará conduciendo a una definición “buena” para el término “cristal de tiempo” y quizás dicha definición contenga el sistema físico que se ha creado en un laboratorio de la Universidad de Maryland. O quizás no.

3 Comentarios

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Paul BarbadewPaul Barbadew

Tengo que releer el artículo, porque me está costando entenderlo…
¿Hay planteada algún aplicación para este tipo de sistemas? ¿En qué podrían aplicarse?

Francisco R. Villatoro

Paul, no tienen ninguna aplicación práctica. Sin embargo, siempre que se habla de sistemas cuánticos de espines los autores de los artículos científicos dicen que servirá para el futuro desarrollo de ordenadores cuánticos; se pueden implementar cubits en cristales de tiempo y se pueden entrelazar, pero de ahí a que alguna vez se usen en computación cuántica hay un trecho muy largo. Aún así, repito, esa es la aplicación que proponen los propios autores.

Francisco

Interesante,

La primera vez que leí sobre esos cristales del tiempo que acaban de publicar “Physicists just created the world’s first time crystal“, también me pareció un poco sacar los pies de tiesto usar el láser para forzar el cristal del tiempo porque ya incumple la regla básica del móvil perpetuo de no aplicarle energía exterior para mantenerlo. Ahora con tu explicación me queda más claro… Eso sí, has dejado un final un poco “gato de Schrodinger”. Aunque creo que dentro de poco saldremos de dudas… Y de todas formas, aunque lo acepten como tal, habrá airados detractores que investigarán cómo desmontar la falacia. O no.

Saludos,
Francisco

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