Crean un nuevo estado de la materia que puede revolucionar los ordenadores cuánticos

Los ‘cristales del tiempo’ son un estado de la materia capaz de moverse de manera continua y perpetua sin consumir ningún tipo de energía, algo que desafía lo que propone la segunda ley de la termodinámica. Sin embargo, estas estructuras cuánticas ya se han conseguido crear con éxito en el laboratorio, aunque de manera inestable. Ahora, un equipo de científicos ha conseguido replicarlas de nuevo y las ha hecho millones de veces más duraderas, algo que puede ser clave para encontrar aplicaciones prácticas a este asombroso descubrimiento.

Qué son los “cristales del tiempo”

El investigador del MIT (Massachusetts Institute of Technology) y Nobel de física, Frank Wilczek, postuló en 2012 que además de cristales en el espacio —las disposiciones de átomos repetitivas que, por ejemplo, confieren a las piedras preciosas sus caras lisas y su bonito aspecto— también debe haber cristales en el tiempo, que muestran patrones que se repiten cada cierto tiempo.

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Para que existan los ‘cristales del tiempo’ sus estructuras atómicas se tienen que mover de manera periódica y constante sin la participación de ningún tipo de energía externa. Esto contradice lo que proponen las leyes de la termodinámica y por eso muchos científicos dieron la teoría de Wilczek por imposible.

Aunque otros no. En 2021, dos equipos independientes de investigadores lograron generarlos en el laboratorio por primera vez. El primero, de la Universidad de Delft en Holanda, aseguró haber creado un cristal del tiempo dentro de un diamante usando átomos de carbono. El segundo, formado por científicos de Google, Stanford, Princeton y otras universidades, era mucho más grande y además escalable.

Uno de esos investigadores, Roderich Moessner, coautor de uno de aquellos estudios y director del Instituto Max Planck para la física de sistemas complejo en Dresden (Alemania). El físico aseguró en su momento que aunque todavía no sabemos qué uso exacto se le puede dar a estos cristales, "algo tan estable como esto es inusual y las cosas especiales siempre son útiles”.

Ahora, investigadores de la Universidad Técnica de Dortmund (Alemania) han desarrollado un cristal de tiempo millones de veces más duradero y estable que los anteriores. Su estudio, publicado recientemente en la revista Nature Physics, abre la puerta a encontrar posibles aplicaciones prácticas y nos ayuda a entender mejor cómo funciona la física que rige estos peculiares cristales.

Cómo funciona

Los cristales de tiempo operan de manera parecida a como lo hace un reloj, ya que producen un movimiento periódico para volver a su estado original en intervalos exactos de tiempo. Sin embargo, en lugar de consumir energía externa y disiparla, como hacen los relojes, los cristales consiguen funcionar sin necesidad de darle cuerda.

El equipo diseñó sus cristales usando arseniuro de indio y galio, un tipo especial de material en cuyo interior hay electrones y núcleos que se comunican entre sí de una forma muy específica. El cristal resultante, dicen los investigadores, se ilumina continuamente formando una polarización de espín del núcleo a través de la interacción con los espines de los electrones. Es justo esta polarización de espín nuclear la que luego genera espontáneamente oscilaciones, equivalentes a un cristal de tiempo.

Los investigadores sostienen que han logrado que sus cristales duren al menos 40 minutos. Esto es unos diez millones de veces más de lo que se había conseguido anteriormente, aunque aseguran que potencialmente podrían vivir mucho más tiempo.

Para qué valen

Aunque todavía queda mucho por descubrir para domar del todo los mecanismos de los cristales de tiempo a nuestro antojo, los investigadores creen que su uso más claro será en los próximos ordenadores cuánticos. Los cristales de tiempo, aseguran, podrían utilizarse para crear cúbits (las unidades básicas de la información cuántica) más estables y con menos errores, el gran talón de Aquiles de esta tecnología.

Además, como apunta The Debrief, la regularidad característica de los cristales de tiempo los convierte en candidatos ideales para hacer nuevos relojes y cronómetros más precisos que aumenten la fiabilidad de las mediciones horarias. Esa precisión de nanosegundos, que ya es importante hoy en día para la navegación por GPS o para el comercio financiero de alta frecuencia, lo será aún más en un futuro dominado por la inteligencia artificial.

También nos ayudará a mejorar nuestra comprensión de la termodinámica de no equilibrio. El estudio de esta anomalía nos puede abrir un camino que traiga nuevas teorías físicas e innovaciones tecnológicas nunca antes vistas.