Físicos argentinos crearon “cristales del tiempo” – .

Con pocas excepciones, casi toda la materia sólida que forma parte de nuestra vida diaria tiene una estructura cristalina: hielo, sal, azúcar, hormigón, metales, piedras preciosas y la mayoría de minerales; entre ellos, algunos de los utilizados en las tecnologías que definen el mundo moderno, como el cuarzo en los relojes o los semiconductores en nuestros numerosos dispositivos electrónicos.

Una de las características definitorias de los cristales es que sus átomos y moléculas están dispuestos en el espacio de manera ordenada, regular y periódica. Hace aproximadamente una docena de años, el premio Nobel Frank Wilczek, premiado por su trabajo en física de altas energías, lanzó una hipótesis audaz: propuso que la materia sólida no sólo podría ser periódica en el espacio, sino también en el tiempo. Es decir, dadas ciertas condiciones, un material podría oscilar según un patrón a lo largo del tiempo sin necesidad de perturbaciones externas.

Como sucede a veces en la ciencia, trabajos posteriores demostraron que este enfoque, aunque tentador, era incorrecto. Sin embargo, a partir de las preguntas que surgieron de estas ideas, varios grupos siguieron interesados ​​en el tema. Ahora, Investigadores argentinos lo acaban de lograr: desarrollaron un sistema que, inducido por la perturbación de un láser continuo, presenta una oscilación periódica sostenida, “cristales del tiempo”. El descubrimiento acaba de ser publicado nada menos que en Ciencia.

“Somos feliz, porque es un Ciencia completamente hecho aquí – Se muestra orgulloso Alex Fainstein, investigador del Conicet en el Centro Atómico Bariloche de la Comisión Nacional de Energía Atómica, egresado y docente del Instituto Balseiro. Salvo el dispositivo, fabricado en Alemania (no tenemos esa capacidad por ahora), la idea, el trabajo teórico y experimental es local”.

El espacio es homogéneo; Es decir, si pones un grupo de átomos en un cubículo, pueden estar en cualquier lugar. Sin embargo, Lo que sucede en la mayoría de los materiales, si se enfrían y se llevan a su estado más fundamental, es que forman un cristal, sus átomos se ubican en el espacio a la misma distancia unos de otros..

“Aunque en el espacio un punto es igual que el siguiente, en los cristales los átomos se sitúan como si debajo hubiera una caja de huevos que indica su posición”, ilustra Fainstein, “se ordenan periódicamente. Dado que los físicos ven en las ecuaciones muchas similitudes entre las coordenadas espaciales y temporales, Wilczek dijo: “Si en los estados fundamentales se rompe una simetría y los átomos están dispuestos como si debajo hubiera una caja de huevos, ¿no podría suceder lo mismo? ¿con el tiempo? Quiero decir, Preguntó si el estado fundamental de un material no será periódico tanto en el espacio como en el tiempo.”.

Que un material adquiera repentinamente una estructura temporal periódica podría imaginarse con un lago que sin ninguna perturbación externa, en lugar de reflejarse, comienza a oscilar. Wilczek encontró un sistema que en su estado más estable, que normalmente ocurre cuando está aislado y a bajas temperaturas, en lugar de estar quieto, oscilaba. Era lo que él llamaba “cristales”, pero en lugar de ser cristales espaciales, como los que conocemos, los llamó “cristales del tiempo” o “cristales en el tiempo”.

“Publicó su papelpero menos de un año después hubo otro que demostró que era incompatible con las ecuaciones de la mecánica cuántica.”, dice Fainstein.

Sin embargo, los mismos que lo cuestionaron empezaron a pensar que la idea era interesante y que sería bueno buscar condiciones en las que un sistema sufra una transición hacia algo que varía periódicamente en el tiempo sin ser inducido, como se hace cuando se empuja un hamaca.

Lo que hizo el grupo liderado por Fainstein, que lleva muchos años trabajando en optomecánica, fue utilizar un láser, una mesa óptica y una única “nanocavidad” que funciona como una “pequeña trampa de espejos” para crearlo.

“Básicamente trabajamos con estos dispositivos llamados ‘microcavidades ópticas’ que pueden considerarse como dos espejos que están muy cerca y que tienen la capacidad de confinar o capturar la luz –dice Ignacio Carraro-Haddad, primer autor del papel y candidato a doctor en Física en el Instituto Balseiro. Se le dispara un láser y se puede confinar esa emisión de luz dentro de la cavidad. Pero lo interesante es que estas cavidades no sólo contienen luz, sino también vibraciones. La luz rebota y también las vibraciones mecánicas”.

“Fotografiamos luz que está confinada e interactúa con electrones formando millones de Partículas que son una mezcla de luz y electrones. –Detalla Fainstein–. Como nuestro láser es continuo (no pulsado), la cantidad de fotones que estamos enviando es la misma todo el tiempo. Excitamos el sistema y luego descubrimos qué le sucede porque emite una luz diferente a la que recibe, de otros colores”.

Lo que pudieron comprobar los científicos es que cuando excitaron el sistema con el láser, al principio salió luz de un solo color, de una sola frecuencia. Pero cuando aumentaron la potencia, automáticamente aparecieron dos colores diferentes, una sugerencia muy fuerte de que el sistema estaba oscilando. Y cuando continuaron aumentando el poder, El sistema formado a partir de la interacción entre la luz, los electrones y el sonido generó su propia dinámica donde todo oscilaba al unísono, como el “tictac” de un reloj.. Luego, los físicos teóricos del grupo desarrollaron un modelo para explicar cómo son estas partículas, cómo interactúan y si pueden dar lugar a los fenómenos que estaban observando.

Carraro-Haddad, salteño y de sólo 24 años, lo explica así: “El láser excita los electrones del material semiconductor, y estos electrones se acoplan con la luz que está confinada en la cavidad, combinándose en una superposición cuántica de electrón y luz que tiene el nombre de cuasipartícula resultante del acoplamiento entre luz y materia, la ‘polaritón’. Atrapamos los polaritones, los fijamos en un lugar del espacio y luego, como tienen materia y luz, pueden interactuar con las vibraciones de la cavidad. Ocurre como una danza coordinada entre luz, electrones y vibraciones mecánicas. La oscilación que tiene la luz es el ‘cristal del tiempo’, porque se ordena periódicamente. Lo interesante es que las vibraciones mecánicas estabilizan la frecuencia del cristal del tiempo, dándole un ritmo bien definido. Se pueden imaginar las vibraciones como un metrónomo que dicta el ritmo al cristal del tiempo. Y ese metrónomo se activa solo: simplemente lo golpeas con un láser continuo, el metrónomo se enciende y los polaritones empiezan a bailar espontáneamente. Y cuando se aumenta más la potencia, esta danza de los electrones duplica su período, es decir, tarda el doble en hacer ese movimiento oscilatorio; “Sería como pasar de una negra a una blanca”.

“Este es un trabajo notable que me causa una sana envidia – comenta Juan Pablo Paz, profesor titular de la UBA, investigador principal del Conicet y exviceministro de Ciencia y Tecnología entre 2019 y 2023, quien no participó del experimento.. Por un lado, es resultado de varios años de estudios del grupo liderado por Alex Fainstein en el Centro Atómico de Bariloche. Ya habían publicado en revistas de muy alto impacto, pero ahora con la publicación en Ciencia, coronan una línea íntegramente concebida y promovida desde Argentina. El trabajo de análisis teórico y, lo que es más importante, la idea original, fueron acuñados en Bariloche. Son pocas las ocasiones en las que es posible publicar un aporte de estas características que se enmarca en una tendencia científica y tecnológica que está en auge a nivel mundial: la ciencia y la tecnología cuánticas, que prometen generar aplicaciones que revolucionen la metrología (permitiendo súper mediciones). mediciones precisas de diferentes magnitudes físicas), y la transmisión y procesamiento de información. Construyeron un sistema utilizando nuevos materiales “cuánticos” en el que sucede algo notable: más allá de cierto umbral, comienzan a oscilar con una determinada frecuencia que caracteriza al cristal temporal. El material con el que se forma este cristal surge de la interacción de la luz (fotones) con la que se excita el sistema y las vibraciones (excitones) del sustrato sólido que lo compone. Aunque no soy un experto en el tema, creo que es espectacular. Mis felicitaciones al equipo, que no en vano se encuentran al frente de una de las ‘Redes Federales de Alto Impacto’ que el extinto Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación financió el año pasado buscando promover la excelencia. y enfocar los estudios científicos argentinos en temas de relevancia e interés nacional e internacional”.

Si bien aclaran que se trata de un grupo de ciencia básica (motivado por la curiosidad, que intenta encontrar y describir comportamientos novedosos en la materia), los investigadores no pasan por alto que cualquier descubrimiento de este tipo inspira posibles aplicaciones. “Yo diría que hay dos cosas interesantes”, sugiere Fainstein. Por un lado, hoy La información se difunde de un lugar a otro mediante la luz, mediante fibras ópticas, con láseres, y luego hay que transformarla en un circuito electrónico para que una computadora pueda procesarla. Todo esto implica una traducción entre dos cosas que cuestan energía y tiempo. Así que cuanto más procesamiento puedas hacer directamente con la luz, sin necesidad de convertirla en corrientes eléctricas, mejor. Eso se llama fotónica integrada. Encontrar nuevos materiales que sean capaces de hacer diferentes procesamientos a frecuencias muy altas es parte de lo que se busca. Lo que hacemos tiene que ver con la fotónica integrada, porque precisamente lo que buscamos es acoplar luz con vibraciones del orden de gigahercios. Nuestro “cristal del tiempo” oscila a decenas de gigahercios. También están tratando de acoplar la luz con las microondas, porque la comunicación entre celulares es por microondas, entonces siempre hay un caso en el que uno quisiera transmitir información que llega por fibra óptica a través de microondas. Pero si tienes que convertirlo a electricidad, pierdes energía y tiempo. Si se pudiera hacer una traducción directa de la luz a las microondas, sería genial.cualquiera. “Alimentamos nuestro sistema con luz y oscila en frecuencias de microondas, por lo que la traducción sería directa”.

Y concluye: “La segunda posibilidad, un poco más fantasiosa, pero que definitivamente quiero probar antes de jubilarme, tiene que ver con el mundo de la computación cuántica. Hoy en día, los ordenadores cuánticos más prometedores, como los que tiene Google, se basan en circuitos superconductores que operan y gestionan toda su información a través de microondas. Si quisiera comunicar una computadora con otra (que es como funciona hoy el mundo del procesamiento de información) el problema es cómo conectarlos.. Dado que toda la información se maneja con microondas, una computadora tiene que “hablar” con otra enviándole microondas. Y eso no se puede hacer. En cuanto a cuántico, cuando se retiran las microondas del criostato, que está en mikelvin [apenas por encima del cero absoluto], el mundo exterior tiene un ruido infinito y la información se pierde inmediatamente. Entonces lo que tienen que hacer es convertirlo en luz, que son frecuencias mucho más altas, donde no hay ruido en el ambiente, porque el ruido viene de la temperatura y la temperatura no influye en la luz. Entonces, hay que convertir la información de microondas en luz, pero en el límite cuántico: un fotón de microondas en un fotón de luz. Como nuestro sistema es tan eficiente que oscila por sí solo, ni siquiera es necesario forzarlo a oscilar de tal manera que la luz conecte con las microondas. Nuestra idea es intentar realizar esa conversión de microondas a luz en el límite de un solo fotón”.

Dimitri Chafatinos, Alexander Kuznetsov e Ignacio Papuccio-FernándezA también son autores de este trabajo. A. Reynoso, A. Bruchhausen, K. Biermann, PV Santos y Gonzalo Usaj.