Físicos argentinos crearon “cristales de tiempo”

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

Una de las particularidades definitorias de los cristales es que sus átomos y moléculas se disponen en el espacio de un modo ordenado, regular y periódico. Hace alrededor de una decena de años, el Nobel Frank Wilczek, premiado por su trabajo en física de las altas energías, lanzó una hipótesis audaz: propuso que la materia sólida podía no solo ser periódica en el espacio, sino también en el tiempo. Es decir, que dadas ciertas condiciones, un material podía oscilar de acuerdo con un patrón en el tiempo sin necesidad de perturbaciones externas. 

Como a veces ocurre en la ciencia, trabajos posteriores demostraron que este planteo, aunque tentador, era incorrecto. Sin embargo, a partir de las preguntas que surgieron de esas ideas, varios grupos siguieron interesados en el tema. Ahora, investigadores argentinos acaban de lograrlo: desarrollaron un sistema que, inducido por la perturbación de un láser continuo, presenta una oscilación periódica sostenida, “cristales de tiempo”. El hallazgo acaba de publicarse nada menos que en Science.  

“Estamos felices, porque es un Science hecho completamente acá –se enorgullece Alex Fainstein, investigador del Conicet en el Centro Atómico Bariloche de la Comisión Nacional de Energía Atómica, egresado y docente del instituto Balseiro–. Excepto el dispositivo, fabricado en Alemania (nosotros no tenemos esa capacidad por ahora), la idea, el trabajo teórico y experimental es local”.

El espacio es homogéneo; es decir, que si uno introduce un grupo de átomos en un cubículo, pueden estar en cualquier lado. Sin embargo, lo que ocurre en la mayoría de los materiales, si se los enfría y se los lleva a su estado más fundamental, es que forman un cristal, sus átomos se ubican en el espacio a la misma distancia uno del otro. 

“Aunque en el espacio es lo mismo un punto que el siguiente, en los cristales, los átomos se ubican como si abajo hubiera una caja de huevos que les indica la posición –ilustra Fainstein–, se disponen de forma periódica. Como los físicos ven en las ecuaciones muchas similitudes entre las coordenadas espaciales y temporales, Wilczek se dijo: ‘Si en estados fundamentales hay una ruptura de simetría y los átomos se ordenan como si abajo hubiera una caja de huevos, ¿no podría ocurrir lo mismo con el tiempo? O sea, se preguntó si el estado fundamental de un material no será periódico tanto en el espacio como en el tiempo”.

Que un material adquiera súbitamente una estructura temporal periódica podría imaginarse con un lago que sin ninguna perturbación externa, en lugar de estar espejado, empieza a oscilar. Wilczek encontró un sistema que en su estado más estable, que típicamente se da cuando se encuentra aislado y a bajas temperaturas, en lugar de estar quieto, oscilaba. Fue a eso que denominó “cristales”, pero en lugar de ser cristales del espacio, como los que conocemos, los llamó “cristales de tiempo” o “cristales en el tiempo”. 

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

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

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

“Básicamente, trabajamos con estos dispositivos que se llaman ‘microcavidades ópticas’ que pueden pensarse como dos espejos que están muy cerquita, y que  tienen la capacidad de confinar o capturar la luz –cuenta Ignacio Carraro-Haddad, primer autor del paper y doctorando en Física del Instituto Balseiro–. Uno dispara hacia ella un láser y puede confinar esa emisión de luz dentro de la cavidad. Pero lo interesantes es que esas cavidades no solo confinan luz, sino también vibraciones. La luz queda rebotando y las vibraciones mecánicas también”.

“Disparamos luz que se confina 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), el número de fotones que estamos mandando es todo el tiempo el mismo. Excitamos el sistema y luego nos enteramos de lo que le está pasando porque emite luz diferente de la que recibe, de otros colores”. 

Lo que los científicos pudieron ver es que cuando excitaban el sistema con el láser, al principio salía luz de un solo color, de una única frecuencia. Pero cuando le aumentaban la potencia, automáticamente aparecían dos colores diferentes, una sugerencia muy sólida de que el sistema estaba oscilando. Y cuando seguían aumentando la potencia, el sistema formado a partir de la interacción entre luz, electrones y sonido generaba su propia dinámica donde todo oscilaba al unísono, como el “tic tac” de un reloj. Entonces, los físicos teóricos del grupo desarrollaron un modelo para explicar cómo son esas partículas, cómo interactúan y si pueden dar lugar a los fenómenos que estaban observando.

Carraro-Haddad, salteño y de solo 24 años, lo explica así:  “El láser excita electrones del material semiconductor, y estos electrones se acoplan con la luz que queda confinada en la cavidad, se combinan en una superposición cuántica de electrón y luz que tiene el nombre de una cuasipartícula resultante del acoplamiento entre luz y materia, el ‘polaritón’. Atrapamos los polaritones, los fijamos en un lugar del espacio, y entonces, como tienen materia y tienen luz, pueden interactuar con las vibraciones de la cavidad. Se da como un baile coordinado entre luz, electrones y vibraciones mecánicas. La oscilación que tiene la luz es el ‘cristal de tiempo’, porque se ordena de manera periódica. Lo interesante es que las vibraciones mecánicas estabilizan la frecuencia  del cristal de tiempo, le dan un ritmo bien definido. Uno puede imaginar las vibraciones como un metrónomo que le dicta el ritmo al cristal de tiempo. Y ese metrónomo se activa solo: uno simplemente le pega con un láser continuo, se prende el metrónomo y empiezan a bailar los polaritones de manera espontánea. Y cuando uno aumenta más la potencia, este baile de los electrones duplica su período, o sea, demora el doble en hacer ese movimiento oscilatorio; sería como pasar de una nota negra a una blanca”. 

“Este es un trabajo notable que me causa sana envidia –comenta Juan Pablo Paz, profesor titular plenario de la UBA, investigador superior del Conicet y ex Viceministro de Ciencia y Tecnología entre  2019 y 2023, que no participó en el experimento–. Por un lado, es el fruto de estudios de varios años del grupo liderado por Alex Fainstein en el Centro Atómico Bariloche. Ya habían publicado en revistas de muy alto impacto, pero ahora con la publicación en Science, coronan una línea enteramente concebida e impulsada desde la 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 corriente científica y tecnológica en auge en el nivel mundial: la ciencia y la tecnología cuánticas, que prometen generar aplicaciones que revolucionen la metrología (permitiendo mediciones super precisas de distintas magnitudes físicas), y la transmisión y el procesamiento de información. Construyeron un sistema usando novedosos materiales ‘cuánticos’ en los que sucede algo notable: superado cierto umbral, comienzan a oscilar con una cierta 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 al sistema y las vibraciones (excitones) del sustrato sólido que lo compone. Aunque no soy un experto en el tema, me parece espectacular. Mis felicitaciones al equipo, que no en vano están a la cabeza de una de las ‘Redes federales de alto impacto’ que el hoy difunto 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”.

Aunque aclaran que son un grupo de ciencia básica (motivada por la curiosidad, que intenta encontrar y describir comportamientos novedosos en la materia), a los investigadores no se les escapa que todo hallazgo de este tipo inspira posibles aplicaciones. “Yo diría que hay dos cosas interesantes –sugiere Fainstein–. Por un lado, hoy la información se propaga de un lugar a otro por luz, por fibras ópticas, con láser, y después hay que transformarla en un circuito electrónico para que una computadora la procese. Todo eso implica una traducción entre dos cosas que cuestan energía y tiempo. Entonces, cuanto más procesamiento puedas hacer directamente con la luz, sin tener necesidad de convertirla en corrientes eléctricas, mejor. Eso se llama fotónica integrada. Encontrar nuevos materiales que sean capaces de hacer procesamientos diferentes a muy alta frecuencia, es parte de los que se está buscando. Lo que nosotros hacemos tiene que ver con la fotónica integrada, porque justamente lo que se busca es acoplar luz con vibraciones en el orden de los gigahertz. Nuestro ‘cristal del tiempo’ oscila a decenas de gigahertz. También se está tratando de acoplar luz con microondas, porque la comunicación entre celulares es por microondas, entonces siempre hay una instancia en la cual a uno le gustaría emitir por microondas información que viene por fibra óptica. Pero si tenés que hacer una conversión a electricidad, perdés energía y tiempo. Si uno pudiera hacer una traducción directa de luz a microondas sería un golazo. Nosotros alimentamos nuestro sistema con luz y oscila a frecuencias de microondas, con lo cual la traducción sería directa”.

Y concluye: “La segunda posibilidad, un poquito más fantasiosa, pero que yo definitivamente quiero probar antes de jubilarme, tiene que ver con el mundo de la computación cuántica. Hoy por hoy, las computadoras cuánticas más promisorias, como las que tiene Google, se basan en circuitos superconductores que funcionan y  manejan toda su información a través de microondas. Si yo quisiera comunicar una computadora con otra (que es como funciona el mundo del procesamiento de la información en la actualidad) el problema es cómo conectarlas. Como toda la información se maneja con microondas, una computadora tiene que ‘hablar’ con otra enviándole microondas. Y eso no se puede. En la cuántica, cuando se saquen las microondas del crióstato, que está a milikelvin [apenas por encima del cero absoluto], el mundo externo tiene infinito ruido y la información se pierde de inmediato. 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 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 se pone a oscilar solo, ni siquiera lo tenés que forzar para que oscile de tal manera que la luz se conecte con las microondas. Nuestra idea es tratar de hacer esa conversión de microondas a luz en el límite de un solo fotón”.

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