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cristal del tiempo

En física de la materia condensada , un cristal de tiempo es un sistema cuántico de partículas cuyo estado de menor energía es aquel en el que las partículas están en movimiento repetitivo. El sistema no puede perder energía al medio ambiente y detenerse porque ya se encuentra en su estado fundamental cuántico . Debido a esto, el movimiento de las partículas no representa realmente energía cinética como otros movimientos; tiene "movimiento sin energía". Los cristales de tiempo fueron propuestos teóricamente por primera vez por Frank Wilczek en 2012 como un análogo temporal de los cristales comunes: mientras que los átomos de los cristales están dispuestos periódicamente en el espacio, los átomos de un cristal de tiempo están dispuestos periódicamente tanto en el espacio como en el tiempo. [1] Varios grupos diferentes han demostrado materia con evolución periódica estable en sistemas que son impulsados ​​periódicamente. [2] [3] [4] [5] En términos de uso práctico, los cristales de tiempo podrían algún día usarse como memoria de computadora cuántica . [6]

La existencia de cristales en la naturaleza es una manifestación de ruptura espontánea de la simetría , que ocurre cuando el estado de menor energía de un sistema es menos simétrico que las ecuaciones que gobiernan el sistema. En el estado fundamental del cristal, la simetría de traslación continua en el espacio se rompe y se reemplaza por la simetría discreta inferior del cristal periódico. Como las leyes de la física son simétricas bajo traslaciones continuas tanto en el tiempo como en el espacio, en 2012 surgió la pregunta de si es posible romper la simetría temporalmente y así crear un "cristal del tiempo" resistente a la entropía . [1]

Si se rompe una simetría de traslación de tiempo discreta (lo que puede realizarse en sistemas accionados periódicamente), entonces el sistema se denomina cristal de tiempo discreto . Un cristal de tiempo discreto nunca alcanza el equilibrio térmico , ya que es un tipo (o fase) de materia en desequilibrio. La ruptura de la simetría temporal sólo puede ocurrir en sistemas que no están en equilibrio. [5] De hecho, ya en 2016 se observaron cristales de tiempo discreto en laboratorios de física (publicado en 2017). Un ejemplo de un cristal de tiempo, que demuestra falta de equilibrio y simetría de tiempo rota, es un anillo de iones cargados en constante rotación en un estado que de otro modo sería de menor energía. [6]

Concepto

Los cristales ordinarios (no temporales) se forman mediante una ruptura espontánea de la simetría relacionada con una simetría espacial. Estos procesos pueden producir materiales con propiedades interesantes, como diamantes , cristales de sal y metales ferromagnéticos . Por analogía, un cristal de tiempo surge de la ruptura espontánea de una simetría de traslación del tiempo. Un cristal de tiempo se puede definir informalmente como una estructura autoorganizada periódica en el tiempo. Mientras que un cristal ordinario es periódico (tiene una estructura que se repite) en el espacio, un cristal del tiempo tiene una estructura que se repite en el tiempo. Un cristal de tiempo es periódico en el tiempo en el mismo sentido que el péndulo de un reloj de péndulo es periódico en el tiempo. A diferencia de un péndulo, un cristal de tiempo se autoorganiza "espontáneamente" en un movimiento periódico robusto (rompiendo una simetría temporal). [7]

Simetría de traducción temporal

Las simetrías en la naturaleza conducen directamente a leyes de conservación, algo que se formula con precisión en el teorema de Noether . [8]

La idea básica de la simetría de traslación del tiempo es que una traslación en el tiempo no tiene efecto sobre las leyes físicas, es decir, que las leyes de la naturaleza que se aplican hoy fueron las mismas en el pasado y serán las mismas en el futuro. [9] Esta simetría implica la conservación de la energía . [10]

Simetría rota en cristales normales.

Proceso normal (proceso N) y proceso Umklapp (proceso U). Mientras que el proceso N conserva el impulso total de los fonones , el proceso U cambia el impulso de los fonones.

Los cristales comunes exhiben simetría de traslación rota : tienen patrones repetidos en el espacio y no son invariantes bajo traslaciones o rotaciones arbitrarias. Las leyes de la física no cambian mediante traslaciones y rotaciones arbitrarias. Sin embargo, si mantenemos fijos los átomos de un cristal, la dinámica de un electrón u otra partícula en el cristal dependerá de cómo se mueve en relación con el cristal, y el impulso de la partícula puede cambiar al interactuar con los átomos de un cristal, por ejemplo en Procesos umklapp . [11] Quasimomentum , sin embargo, se conserva en un cristal perfecto. [12]

Los cristales de tiempo muestran una simetría rota análoga a una ruptura de simetría de traslación espacial discreta. Por ejemplo, [ cita necesaria ] las moléculas de un líquido que se congela en la superficie de un cristal pueden alinearse con las moléculas del cristal, pero con un patrón menos simétrico que el cristal: rompe la simetría inicial. Esta simetría rota exhibe tres características importantes: [ cita necesaria ]

Simetría rota en cristales de tiempo discreto (DTC)

Los cristales de tiempo parecen romper la simetría de traducción del tiempo y tienen patrones repetidos en el tiempo incluso si las leyes del sistema son invariantes por la traducción del tiempo. Los cristales de tiempo que se han realizado experimentalmente muestran una ruptura discreta de la simetría de traslación del tiempo, no la continua : son sistemas impulsados ​​periódicamente que oscilan a una fracción de la frecuencia de la fuerza impulsora. (Según Philip Ball , los DTC se llaman así porque "su periodicidad es un múltiplo entero discreto del período de conducción". [13] )

La simetría inicial, que es la simetría discreta de traslación en el tiempo ( ) con , se rompe espontáneamente a la simetría discreta inferior de traslación en el tiempo con , donde es el tiempo, el período de conducción, un número entero. [14]

Muchos sistemas pueden mostrar comportamientos de ruptura espontánea de simetría por traslación del tiempo, pero pueden no ser cristales de tiempo discretos (o Floquet): células de convección , reacciones químicas oscilantes , aleteo aerodinámico y respuesta subarmónica a una fuerza impulsora periódica como la inestabilidad de Faraday , espín de RMN . ecos , conversión descendente paramétrica y sistemas dinámicos no lineales de período duplicado . [14]

Sin embargo, los cristales de tiempo discreto (o Floquet) son únicos porque siguen una definición estricta de ruptura de simetría de traslación de tiempo discreto : [15]

Además, la simetría rota en los cristales del tiempo es el resultado de interacciones de muchos cuerpos : el orden es la consecuencia de un proceso colectivo , al igual que en los cristales espaciales. [14] Este no es el caso de los ecos de espín de RMN.

Estas características hacen que los cristales de tiempo discreto sean análogos a los cristales espaciales como se describe anteriormente y pueden considerarse un nuevo tipo o fase de materia en desequilibrio. [14]

Termodinámica

Los cristales de tiempo no violan las leyes de la termodinámica : la energía en todo el sistema se conserva, un cristal de este tipo no convierte espontáneamente la energía térmica en trabajo mecánico y no puede servir como una reserva perpetua de trabajo. Pero puede cambiar perpetuamente siguiendo un patrón fijo en el tiempo mientras el sistema pueda mantenerse. Poseen "movimiento sin energía" [16] ; su movimiento aparente no representa energía cinética convencional. [17] Los avances experimentales recientes en el sondeo de cristales de tiempo discreto en sus estados de desequilibrio impulsados ​​periódicamente han llevado al inicio de la exploración de nuevas fases de materia de desequilibrio. [14]

Los cristales de tiempo no evaden la Segunda Ley de la Termodinámica, [18] aunque rompen espontáneamente la "simetría de traducción del tiempo", la regla habitual de que un objeto estable permanecerá igual a lo largo del tiempo. En termodinámica, la entropía de un cristal de tiempo, entendida como una medida del desorden en el sistema, permanece estacionaria en el tiempo, satisfaciendo marginalmente la segunda ley de la termodinámica al no disminuir. [19] [20]

Historia

El premio Nobel Frank Wilczek en la Universidad de París-Saclay

La idea de un cristal de tiempo cuantificado fue teorizada en 2012 por Frank Wilczek , [21] [22] premio Nobel y profesor del MIT . En 2013, Xiang Zhang , un nanoingeniero de la Universidad de California, Berkeley , y su equipo propusieron crear un cristal del tiempo en forma de un anillo de iones cargados en constante rotación. [23] [24]

En respuesta a Wilczek y Zhang, Patrick Bruno ( Instalación Europea de Radiación Sincrotrón ) y Masaki Oshikawa ( Universidad de Tokio ) publicaron varios artículos afirmando que los cristales espacio-temporales eran imposibles. [25] [26]

El trabajo posterior desarrolló definiciones más precisas de la ruptura de la simetría de la traducción del tiempo , lo que finalmente condujo a la declaración "no-go" de Watanabe-Oshikawa de que los cristales cuánticos de espacio-tiempo en equilibrio no son posibles. [27] [28] Trabajos posteriores restringieron el alcance de Watanabe y Oshikawa: estrictamente hablando, demostraron que el orden de largo alcance tanto en el espacio como en el tiempo no es posible en equilibrio, pero la ruptura de la simetría de traducción del tiempo por sí sola todavía es posible. [29] [30] [31]

Posteriormente se propusieron varias realizaciones de cristales de tiempo, que evitan los argumentos de equilibrio negativo. [32] En 2014, Krzysztof Sacha de la Universidad Jagellónica de Cracovia predijo el comportamiento de los cristales de tiempo discreto en un sistema impulsado periódicamente con "una nube atómica ultrafría que rebota en un espejo oscilante". [33] [34]

En 2016, grupos de investigación de Princeton y Santa Bárbara sugirieron de forma independiente que los sistemas de espín cuántico impulsados ​​periódicamente podrían mostrar un comportamiento similar. [35] También en 2016, Norman Yao en Berkeley y sus colegas propusieron una forma diferente de crear cristales de tiempo discreto en sistemas de espín. [36] Estas ideas tuvieron éxito y fueron realizadas de forma independiente por dos equipos experimentales: un grupo dirigido por Mikhail Lukin de Harvard [37] y un grupo dirigido por Christopher Monroe en la Universidad de Maryland . [38] Ambos experimentos se publicaron en el mismo número de Nature en marzo de 2017.

Más tarde, se propusieron cristales de tiempo en sistemas abiertos, llamados cristales de tiempo disipativos, en varias plataformas rompiendo una simetría de traslación de tiempo discreta [39] [40] [41] [42] y continua [43] [44] . En 2021, el grupo de Andreas Hemmerich en el Instituto de Física Láser de la Universidad de Hamburgo realizó experimentalmente un cristal de tiempo disipativo . [45] Los investigadores utilizaron un condensado de Bose-Einstein fuertemente acoplado a una cavidad óptica disipativa y se demostró que el cristal del tiempo rompe espontáneamente la simetría discreta de traducción del tiempo al cambiar periódicamente entre dos patrones de densidad atómica. [45] [46] [47] En un experimento anterior en el grupo de Tilman Esslinger en ETH Zurich , la dinámica del ciclo límite [48] se observó en 2019, [49] pero hay evidencia de robustez contra las perturbaciones y el carácter espontáneo del tiempo. -No se abordaron las rupturas de simetría de traducción.

En 2019, los físicos Valerii Kozin y Oleksandr Kyriienko demostraron que, en teoría, un cristal de tiempo cuántico permanente puede existir como un sistema aislado si el sistema contiene interacciones multipartículas inusuales de largo alcance. El argumento original de "no ir" sólo es válido en presencia de campos típicos de corto alcance que decaen tan rápidamente como r − α para algunos α > 0 . Kozin y Kyriienko, en cambio, analizaron un hamiltoniano de muchos cuerpos de espín 1/2 con interacciones multiespín de largo alcance y demostraron que rompía la simetría continua de traslación en el tiempo. Ciertas correlaciones de espín en el sistema oscilan en el tiempo, a pesar de que el sistema está cerrado y en un estado de energía fundamental . Sin embargo, demostrar un sistema de este tipo en la práctica podría resultar prohibitivamente difícil, [50] [51] y se han planteado preocupaciones sobre el carácter físico de la naturaleza de largo alcance del modelo. [52]

En 2022, el equipo de investigación de Hamburgo, supervisado por Hans Keßler y Andreas Hemerich, demostró, por primera vez, un cristal de tiempo disipativo continuo que exhibe una ruptura espontánea de la simetría de traslación del tiempo continuo. [53] [54] [55] [56]

En febrero de 2024, un equipo de la Universidad de Dortmund (Alemania) construyó un cristal de tiempo a partir de arseniuro de indio y galio que duró 40 minutos, casi 10 millones de veces más que el récord anterior de alrededor de 5 milisegundos. Además, la falta de descomposición sugiere que el cristal ha durado aún más, afirmando que podría durar "al menos unas pocas horas, tal vez incluso más". [57] [58] [59] [60] https://phys.org/news/2024-02-physicists-highly-robust-crystal.html

experimentos

En octubre de 2016, Christopher Monroe de la Universidad de Maryland afirmó haber creado el primer cristal de tiempo discreto del mundo. Utilizando las ideas propuestas por Yao et al., [36] su equipo atrapó una cadena de iones 171 Yb + en una trampa de Paul , confinada por campos electromagnéticos de radiofrecuencia. Uno de los dos estados de giro fue seleccionado mediante un par de rayos láser. Los láseres eran pulsados, con la forma del pulso controlada por un modulador acústico-óptico , usando la ventana de Tukey para evitar demasiada energía en la frecuencia óptica incorrecta. Los estados de electrones hiperfinos en esa configuración, 2 S 1/2 | F = 0, m F = 0⟩ y | F = 1, m F = 0⟩ , tienen niveles de energía muy cercanos, separados por 12,642831 GHz. Se colocaron diez iones enfriados por Doppler en una línea de 0,025 mm de largo y se acoplaron entre sí.

Los investigadores observaron una oscilación subarmónica del motor. El experimento mostró la "rigidez" del cristal del tiempo, donde la frecuencia de oscilación permaneció sin cambios incluso cuando el cristal del tiempo fue perturbado, y que ganó una frecuencia propia y vibró de acuerdo con ella (en lugar de solo la frecuencia del accionamiento). Sin embargo, una vez que la perturbación o frecuencia de vibración se hizo demasiado fuerte, el cristal del tiempo se "derretió" y perdió esta oscilación subarmónica, y volvió al mismo estado que antes, donde se movía sólo con la frecuencia inducida. [38]

También en 2016, Mikhail Lukin en Harvard también informó sobre la creación de un cristal de tiempo impulsado. Su grupo utilizó un cristal de diamante dopado con una alta concentración de centros vacantes de nitrógeno , que tienen un fuerte acoplamiento dipolo-dipolo y una coherencia de espín relativamente duradera . Este sistema de espín dipolar que interactúa fuertemente fue impulsado con campos de microondas y el estado de espín del conjunto se determinó con un campo óptico (láser). Se observó que la polarización del espín evolucionaba a la mitad de la frecuencia del impulso de microondas. Las oscilaciones persistieron durante más de 100 ciclos. Esta respuesta subarmónica a la frecuencia de excitación se ve como una firma del orden cristalino del tiempo. [37]

En mayo de 2018, un grupo de la Universidad de Aalto informó que habían observado la formación de un cuasicristal de tiempo y su transición de fase a un cristal de tiempo continuo en un superfluido de helio-3 enfriado a una diezmilésima de kelvin desde el cero absoluto (0,0001 K). ). [61] El 17 de agosto de 2020, Nature Materials publicó una carta del mismo grupo diciendo que por primera vez pudieron observar interacciones y el flujo de partículas constituyentes entre dos cristales de tiempo. [62]

En febrero de 2021, un equipo del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes describió la creación de un cristal del tiempo compuesto por magnones y los examinó mediante microscopía de rayos X de transmisión de barrido para capturar la estructura de magnetización periódica recurrente en el primer registro de vídeo conocido de este tipo. [63] [64]

En julio de 2021, un equipo dirigido por Andreas Hemerich del Instituto de Física Láser de la Universidad de Hamburgo presentó la primera realización de un cristal de tiempo en un sistema abierto, el llamado cristal de tiempo disipativo que utiliza átomos ultrafríos acoplados a una cavidad óptica . El principal logro de este trabajo es una aplicación positiva de la disipación, que de hecho ayuda a estabilizar la dinámica del sistema. [45] [46] [47]

En noviembre de 2021, una colaboración entre Google y físicos de varias universidades informó la observación de un cristal de tiempo discreto en el procesador Sycamore de Google , un dispositivo de computación cuántica . Se utilizó un chip de 20 qubits para obtener una configuración de localización de muchos cuerpos de giros hacia arriba y hacia abajo y luego se estimuló con un láser para lograr un sistema " Floquet " impulsado periódicamente donde todos los giros hacia arriba y hacia abajo se invierten y viceversa en ciclos periódicos. que son múltiplos de la frecuencia del láser. Si bien el láser es necesario para mantener las condiciones ambientales necesarias, no se absorbe energía del láser, por lo que el sistema permanece en un orden de estado propio protegido . [20] [65]

Anteriormente, en junio y noviembre de 2021, otros equipos habían obtenido cristales de tiempo virtuales basados ​​en sistemas de floquetes bajo principios similares a los del experimento de Google, pero en simuladores cuánticos en lugar de procesadores cuánticos: primero, un grupo de la Universidad de Maryland obtuvo cristales de tiempo en trampas. qubits de iones que utilizan conducción de alta frecuencia en lugar de localización de muchos cuerpos [66] [67] y luego una colaboración entre TU Delft y TNO en los Países Bajos llamada Qutech creó cristales de tiempo a partir de espines nucleares en centros de vacantes de nitrógeno (NV) de carbono 13 en un diamante, logrando tiempos más largos pero menos qubits. [68] [69]

En febrero de 2022, un científico de UC Riverside informó sobre un cristal de tiempo disipativo similar al sistema de julio de 2021 pero totalmente óptico, lo que le permitió operarlo a temperatura ambiente. En este experimento se utilizó el bloqueo por inyección para dirigir láseres a una frecuencia específica dentro de un microresonador , creando una trampa de red para solitones en frecuencias subarmónicas. [70] [71]

En marzo de 2022, dos físicos de la Universidad de Melbourne realizaron un nuevo experimento que estudiaba cristales de tiempo en un procesador cuántico , esta vez utilizando los procesadores cuánticos Manhattan y Brooklyn de IBM observando un total de 57 qubits. [72] [73] [74]

En junio de 2022, un equipo del Instituto de Física Láser de la Universidad de Hamburgo , supervisado por Hans Keßler y Andreas Hemmerich , informó sobre la observación de un cristal de tiempo continuo . En los sistemas accionados periódicamente, la simetría de traslación del tiempo se divide en una simetría de traslación del tiempo discreta debido al impulso. Los cristales de tiempo discreto rompen esta simetría de traducción de tiempo discreto al oscilar a un múltiplo de la frecuencia de excitación. En el nuevo experimento, el accionamiento (láser de bomba) se accionó de forma continua, respetando así la simetría de traslación temporal continua. En lugar de una respuesta subarmónica, el sistema mostró una oscilación con una frecuencia intrínseca y una fase de tiempo que tomaba valores aleatorios entre 0 y 2π, como se esperaba para una ruptura espontánea de la simetría de traslación temporal continua. Además, las oscilaciones del ciclo límite observadas demostraron ser robustas frente a perturbaciones de carácter técnico o fundamental, como el ruido cuántico y, debido a la apertura del sistema, las fluctuaciones asociadas con la disipación. El sistema consistía en un condensado de Bose-Einstein en una cavidad óptica , que era bombeado con una onda estacionaria óptica orientada perpendicularmente con respecto al eje de la cavidad y estaba en una fase superradiante localizándose en dos estados fundamentales biestables entre los cuales oscilaba. [53] [54] [55] [56]

Referencias

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