Cristales De Tiempo Creados, Suspendiendo Las Leyes De La Física

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Los científicos han creado una forma exótica de materia conocida como el cristal del tiempo, que parece desafiar las leyes de la termodinámica.

Nota del editor: este artículo se actualizó el 9 de marzo a las 11:20 a.m. E.T.

Un nuevo y extraño estado de la materia conocido como cristal de tiempo parece suspender las leyes de la termodinámica casi indefinidamente, sugieren dos nuevos experimentos.

El cristal de tiempo es esencialmente una colección de átomos o iones que están muy separados pero que aún interactúan entre sí. Esta forma de materia sigue "marcando" indefinidamente a una cierta frecuencia, sin calentarse ni crear entropía, el estado natural de desorden que siempre aumenta en el universo. Los cristales de tiempo funcionan debido a los efectos cuánticos o las reglas extrañas que describen la colección de pequeñas partículas subatómicas.

La materia recién creada se une a una gran cantidad de otros estados exóticos de la materia, como superconductores, líquidos de espín cuántico y superfluidos.

"Hemos encontrado una nueva fase de la materia", dijo el coautor del estudio Soonwon Choi, un estudiante graduado de física teórica en la Universidad de Harvard. "Es algo que se mueve en el tiempo mientras está estable". [Los 18 mayores misterios sin resolver en la física]

Si bien el nuevo estado de la materia es fascinante en sí mismo, también podría allanar el camino para las computadoras cuánticas que no pierden información, dijo Choi.

Cristal de tiempo

El físico Frank Wilczek propuso por primera vez la idea de un cristal de tiempo en la revista Physical Review Letters en 2012. En ese estudio, sugirió una forma de materia que rompe espontáneamente la "invarianza del tiempo", una simetría fundamental en el tiempo. El concepto de invariancia de tiempo determina que hacer algo ahora produciría el mismo resultado que hacer lo mismo, por ejemplo, 1 minuto en el futuro (todas las demás condiciones son iguales).

Sin embargo, en la concepción de Wilczek, las interacciones cuánticas entre partículas, como los iones o las partículas subatómicas, podrían crear un estado de materia que oscila repetidamente en el tiempo, al igual que un cristal tiene una estructura que se repite en el espacio. Eso significa que si la materia oscilara con un período de 2 minutos, hacer algo con esa materia ahora produciría resultados diferentes que hacer lo mismo en 1 minuto a partir de ahora. [Fotos: Cristales de tiempo exóticos creados en el laboratorio]

Para entender lo que esto significa, imagina a dos personas que sostienen una cuerda para saltar y la hacen pivotar para que una tercera persona salte. En los estados normales de la materia, si la cuerda hace un círculo cada segundo, la persona debe saltar cada segundo. Pero en un cristal de tiempo, es como si el saltador levantara sus pies cada vez que la cuerda golpea el suelo, pero de alguna manera mantiene el tiempo y no se enreda en la cuerda, dijo el coautor del estudio Norman Yao, un físico en la Universidad de California, Berkeley, quien a principios de este año desarrolló un marco teórico para probar los cristales de tiempo.

Más recientemente, el trabajo de seguimiento que se basó en la idea de Wilczek mostró que los cristales de tiempo no podían existir en el equilibrio térmico. (Un principio fundamental de la termodinámica es que dos objetos en contacto terminarán a la misma temperatura en el estado estable, o equilibrio térmico, del sistema). Pero poco después, los investigadores demostraron que los cristales de tiempo podrían existir en estados dinámicos, cuando Los sistemas están cambiando rápidamente y aún no han alcanzado el equilibrio térmico.

A principios de este año, Yao, junto con Andrew Potter, físico de la Universidad de Texas en Austin, y sus colegas, desarrollaron un documento teórico que identificaba las firmas clave de un cristal del tiempo. Ese documento predijo lo que sucedería cuando un cristal de este tipo se fundiera en un estado más monótono de la materia, y presentó una manera experimental de probar la existencia de cristales de tiempo. Independientemente, Choi y sus colegas desarrollaron su propia idea de un método para demostrar la existencia de cristales de tiempo, y luego se dispusieron a crear un cristal de ese tipo en el laboratorio.

Suspensión de la termodinámica.

En un par de estudios publicados hoy (8 de marzo) en la revista Nature, los investigadores demostraron que los cristales de tiempo pueden existir en sistemas muy diferentes.

Aquí, la configuración para crear un cristal de tiempo utilizando un diamante lleno de defectos de vacío de nitrógeno. Estos defectos actúan como pequeños giros que pueden manipularse con luz láser para crear un cristal de tiempo.

Aquí, la configuración para crear un cristal de tiempo utilizando un diamante lleno de defectos de vacío de nitrógeno. Estos defectos actúan como pequeños giros que pueden manipularse con luz láser para crear un cristal de tiempo.

Crédito: Georg Kucsko

Choi y sus colegas con base en la Universidad de Harvard usaron un diamante lleno de 1 millón de centros de color con vacío de nitrógeno; estos son puntos en la red de cristal de carbono del diamante donde los átomos de nitrógeno han reemplazado a los átomos de carbono. Debido a que el nitrógeno es más pequeño que el carbono, este reemplazo deja un espacio vacío en la red, y el nitrógeno y el espacio vacío pueden actuar juntos como si fueran pequeñas partículas con giros. (Las vacantes se denominan centros de color porque los átomos de nitrógeno producen color en los diamantes; en este caso, los diamantes están tan llenos de estos defectos que parecen negros).

Usando rayos láser y radiación de microondas, el equipo pulsó periódicamente estas vacantes de nitrógeno, que luego oscilaron con una frecuencia que era la mitad de la frecuencia de la radiación dirigida a ellos (llamada frecuencia de conducción).

En un segundo experimento basado en la Universidad de Maryland, Potter, Yao y sus colegas atraparon 14 iones de iterbio usando rayos láser y luego manipularon los giros de los iones usando rayos láser muy enfocados. Nuevamente, el material actuó como un cristal de tiempo, oscilando a la mitad de la frecuencia de conducción. Durante la duración del experimento, el material no se calentó, a pesar de que se inyectó mucha energía en el sistema, dijo Potter.Esa es una señal de que las leyes de la termodinámica no entraron en juego durante la duración del experimento, agregó.

Por ejemplo, el grupo de Harvard usó un sistema que puede no ser un cristal perfecto, dijo Potter. El sistema no se calentó mucho, pero generó calor lentamente.

"Están buscando una existencia encantada que morirá lentamente si la dejan correr el tiempo suficiente", dijo Potter a WordsSideKick.com.

En contraste, el experimento de la Universidad de Maryland podría persistir indefinidamente, aunque utilizó un número mucho más pequeño de átomos que amplía la definición de lo que constituye un estado de materia, dijo Potter.

Pero los nuevos hallazgos muestran que el cristal de tiempo no necesita estar perfectamente aislado del calor y la entropía para exhibir sus propiedades de repetición en el tiempo, dijo Yao. Esto significa que puede ser sorprendentemente fácil generar estos estados exóticos de la materia, dijo.

Lo verdaderamente fascinante de estos experimentos es que tienen el potencial de suspender las leyes de la física indefinidamente, dijo Potter. Como una taza de café caliente que nunca alcanza la temperatura ambiente, "la energía adicional simplemente permanece en su lugar y el sistema nunca se equilibra a una sola temperatura", dijo Potter.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que estos cristales de tiempo no "rompen" las leyes fundamentales de la termodinámica per se; simplemente los postergan mientras el experimento se está ejecutando, dijo Potter.

"Se supone que la termodinámica solo debe describir el comportamiento a largo plazo una vez que se alcanza este estado térmico estable, por lo que nunca describe la dinámica a corto plazo antes de alcanzar el equilibrio térmico", dijo Potter.

Al mantener el sistema en un estado dinámico, entonces, los nuevos experimentos simplemente mantienen el tema en un régimen en el que la termodinámica normalmente no se aplicaría, agregó.

Nota del editor: este artículo se actualizó para observar que el trabajo de seguimiento que mostraba que los cristales de tiempo no podían existir en el equilibrio térmico se basaba en la idea de Frank Wilczek, no en la de Norman Yao.

Publicado originalmente en WordsSideKick.com.


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