Físicos crean un cristal del tiempo que los humanos pueden ver

Físicos de la Universidad de Colorado en Boulder han usado cristales líquidos, como los de la pantalla de un teléfono, para crear un 'cristal de tiempo', el primero que los humanos pueden ver.

Los cristales de tiempo son un nuevo estado de la materia en el que los átomos no solo están ordenados en el espacio, como en un cristal normal, sino que también presentan un patrón de movimiento o estado cuántico (como el espín) que se repite periódicamente en el tiempo. Este movimiento es autónomo, es decir, no requiere una entrada de energía externa y funciona como el "tictac" de un reloj cuántico, lo que los hace un potencial para revolucionar campos como la computación cuántica, la metrología y la información cuántica.

"Se pueden observar directamente con un microscopio e incluso, en condiciones especiales, a simple vista", afirmó en un comunicado Hanqing Zhao, autor principal del estudio y estudiante de posgrado del Departamento de Física de la Universidad de Colorado en Boulder.

Él e Ivan Smalyukh, profesor de física y miembro del Instituto de Energías Renovables y Sostenibles (RASEI), publicaron sus hallazgos el 4 de septiembre en la revista Nature Materials.

En el estudio, los investigadores diseñaron celdas de vidrio llenas de cristales líquidos; en este caso, moléculas con forma de bastón que se comportan de forma similar a un sólido y a un líquido. En circunstancias especiales, al iluminarlos, los cristales líquidos comienzan a girar y moverse, siguiendo patrones que se repiten con el tiempo.

Bajo el microscopio, estas muestras de cristales líquidos se asemejan a rayas de tigre psicodélicas y pueden mantenerse en movimiento durante horas, como ese reloj que gira eternamente.

"Todo nace de la nada", afirmó Smalyukh. "Basta con iluminarlos, y emerge todo este mundo de cristales del tiempo".

Zhao y Smalyukh son miembros del satélite Colorado del Instituto Internacional para la Sostenibilidad con Metamateria Quiral Anudada (WPI-SKCM2), con sede en la Universidad de Hiroshima, Japón. Este instituto internacional tiene como misión crear formas artificiales de materia y contribuir a la sostenibilidad.

Los cristales de tiempo pueden parecer ciencia ficción, pero se inspiran en cristales naturales, como los diamantes o la sal de mesa.

El premio Nobel Frank Wilczek propuso por primera vez la idea de los cristales de tiempo en 2012. Podemos pensar en los cristales tradicionales como "cristales espaciales". Los átomos de carbono que componen un diamante, por ejemplo, forman un patrón reticular en el espacio muy difícil de fragmentar.

Wilczek se preguntó si sería posible construir un cristal con una organización similar, excepto en el tiempo y no en el espacio. Incluso en estado de reposo, los átomos en dicho estado no formarían un patrón reticular, sino que se moverían o transformarían en un ciclo interminable, como un GIF que se repite indefinidamente.

El concepto original de Wilczek resultó imposible de implementar, pero desde entonces los científicos han creado fases de la materia que se acercan bastante.

En 2021, por ejemplo, los físicos utilizaron la computadora cuántica Sycamore de Google para crear una red especial de átomos. Al aplicar un rayo láser a estos átomos, experimentaron fluctuaciones que se repitieron varias veces.

En el nuevo estudio, Zhao y Smalyukh se propusieron ver si podían lograr una hazaña similar con cristales líquidos.

Smalyukh explicó que si se presionan estas moléculas correctamente, se agrupan tan fuertemente que forman dobleces. Sorprendentemente, estos dobleces se mueven e incluso, en ciertas condiciones, pueden comportarse como átomos."Tienes estos dobleces y no es fácil eliminarlos", dijo Smalyukh. "Se comportan como partículas y comienzan a interactuar entre sí".

En el estudio actual, Smalyukh y Zhao colocaron una solución de cristales líquidos entre dos piezas de vidrio recubiertas con moléculas de tinte. Por sí solas, estas muestras permanecieron prácticamente inmóviles. Pero cuando el grupo las iluminó con cierto tipo de luz, las moléculas de tinte cambiaron su orientación y comprimieron los cristales líquidos. En el proceso, se formaron repentinamente miles de nuevas curvas.

Esas curvas también comenzaron a interactuar entre sí siguiendo una serie de pasos increíblemente complejos. Los patrones en el tiempo también fueron inusualmente difíciles de romper: los investigadores pudieron subir o bajar la temperatura de sus muestras sin interrumpir el movimiento de los cristales líquidos.

"Esa es la belleza de este cristal de tiempo", dijo Smalyukh. "Solo se crean condiciones que no son tan especiales. Se proyecta una luz, y todo sucede".

Zhao y Smalyukh afirman que estos cristales de tiempo podrían tener varios usos. Los gobiernos podrían, por ejemplo, añadir estos materiales a los billetes para dificultar su falsificación. Si quiere saber si un billete de 100 dólares es auténtico, simplemente ilumine la "marca de agua del tiempo" y observe el patrón que aparece. Al apilar varios cristales de tiempo diferentes, el grupo puede crear patrones aún más complejos, que podrían potencialmente permitir a los ingenieros almacenar vasta cantidades de datos digitales.