Un cristal es un conjunto de átomos posicionados siguiendo una disposición que se repite en el espacio, a intervalos regulares: En cada punto, el cristal tiene exactamente el mismo aspecto que en el punto anterior del patrón. En 2012, Frank Wilczek, galardonado con un Premio Nobel, planteó una pregunta fascinante: ¿Podría existir también un cristal temporal, un objeto con una estructura cuyo patrón no se repite en el espacio, sino en el tiempo? ¿Y sería posible que surgiera un ritmo periódico, aunque no se impusiera ningún ritmo específico al sistema y la interacción entre las partículas fuera completamente independiente del tiempo?
Durante años, la idea de Frank Wilczek ha causado mucha controversia. Algunos científicos consideraron, sobre todo al principio, que los cristales de tiempo eran imposibles, mientras que otros han intentado encontrar o producir cristales de tiempo recurriendo a escenarios dominados por condiciones especiales. Ahora, en la Universidad Tsinghua de Pekín en China, con la colaboración de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) en Austria, se ha creado con éxito un tipo de cristal de tiempo que pocos años atrás muchos habrían considerado imposible.
El equipo, integrado, entre otros, por Xiaoling Wu, de la Universidad Tsinghua, y Thomas Pohl, de la TU Wien, utilizó, para la construcción del nuevo cristal de tiempo, luz láser y átomos de un tipo muy especial, denominados "átomos de Rydberg", que tienen un diámetro varios cientos de veces superior al normal. Los resultados fueron publicados en Nature Physics.
El tic-tac de un reloj también es un ejemplo de movimiento temporal periódico. Sin embargo, no se produce por sí solo: Alguien debe haber dado cuerda al reloj o haberle colocado una pila eléctrica y haberlo puesto en marcha a una hora determinada. Esta hora de inicio determina el tiempo del tic-tac.
Con un verdadero cristal de tiempo, la situación es muy distinta: según la idea de Wilczek, la periodicidad debería surgir espontáneamente, aunque en realidad no haya ninguna diferencia física entre los distintos puntos temporales.
Pohl se encargó de la parte teórica del trabajo de investigación que ahora ha conducido al descubrimiento de un cristal de tiempo en la Universidad Tsinghua: Se hizo incidir luz láser en un recipiente de vidrio lleno de un gas de átomos de rubidio. Se medía la intensidad de la señal luminosa que llegaba al otro extremo del recipiente.
En realidad, se trata de un experimento estático en el que no se impone ningún ritmo específico al sistema. Las interacciones entre la luz y los átomos son siempre las mismas, el rayo láser tiene una intensidad constante. Pero, sorprendentemente, resultó que la intensidad de la señal luminosa que llegaba al otro extremo del recipiente de vidrio comenzó a oscilar siguiendo patrones muy regulares.
La clave del experimento fue preparar los átomos de una manera especial: los electrones de un átomo pueden orbitar alrededor del núcleo por diferentes caminos, dependiendo de la cantidad de energía que tengan. Si se añade energía al electrón más externo de un átomo, su distancia al núcleo atómico puede llegar a ser muy grande. En casos extremos, puede estar varios cientos de veces más lejos del núcleo de lo habitual. De este modo, se crean átomos con una capa de electrones gigante, los llamados átomos de Rydberg.
Con los átomos adquiriendo un tamaño mucho mayor debido al citado fenómeno, las fuerzas entre estos átomos también se hacen muy grandes. Y eso a su vez cambia la forma en que interactúan con el láser. Si se elige la luz láser de tal forma que pueda excitar dos estados de Rydberg diferentes en cada átomo al mismo tiempo, entonces se genera un bucle de retroalimentación que provoca oscilaciones espontáneas entre los dos estados atómicos. Esto, a su vez, también conduce a la absorción oscilante de la luz". Por sí solos, los átomos gigantes tropiezan con un ritmo regular, y este ritmo se traduce en el ritmo de la intensidad luminosa que llega al final del recipiente de cristal.
"Hemos creado aquí un nuevo sistema que proporciona una potente plataforma para profundizar en nuestra comprensión del fenómeno de los cristales de tiempo de una forma que se acerca mucho a la idea original de Frank Wilczek", afirma Pohl. "Las oscilaciones precisas y autosostenidas podrían utilizarse para sensores, por ejemplo. Los átomos gigantes con estados Rydberg ya se han utilizado con éxito para este tipo de técnicas en otros contextos." NCYT
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