Cristales de tiempo, un nuevo estado de la materia

Los cristales de tiempo son un nuevo estado de la materia, propuesto por el premio Nobel de Física de 2004, el estadounidense Frank Wilczek, del Massachusetts Institute of Technology (MIT), en Estados Unidos.

En 2012, durante una de sus clases, Wilczek propuso que podría existir un tipo diferente de cristales, cuya estructura atómica, en vez de repetirse en el espacio, lo hiciera periódicamente a lo largo del tiempo. Esto parecía contravenir las leyes de la física, especialmente al segundo principio de la termodinámica, que establece que, en un estado de equilibrio, la materia y la energía no se pueden crear ni destruir, sino que se transforman; asimismo, dicta que el grado de desorden molecular presente, de manera natural, en un sistema termodinámico aislado se incrementa con el transcurso del tiempo hasta alcanzar un equilibrio termodinámico.

¿Qué es un cristal de tiempo?

Ante todo, es un cristal, por lo que hay que analizarlo desde un punto de vista fisicoquímico. Así, se puede definir un cristal (las piedras preciosas, el azúcar y la sal) como un objeto cuyos átomos se disponen de una manera homogénea y ordenada, dando forma a un patrón que se repite periódicamente a lo largo del espacio.

En un líquido, las moléculas se distribuyen de manera simétrica, como un enjambre uniforme; en la sal, sus partículas crean patrones que se repiten; en un cristal, en cambio, las moléculas se agrupan, formando redes y estructuras que van creando una secuencia. Por eso, Wilczek dice que "los cristales son las sustancias más organizadas de la naturaleza".

Entonces, ¿es posible crear un cristal con patrones que no se repitan cada cierta distancia, sino cada determinado tiempo? Sí, y para ello, hay que romper con la simetría.

Para entender claramente, pondremos el ejemplo del agua: ésta es un líquido simétrico, es decir, sus propiedades son iguales en cualquiera de sus puntos. Si, de alguna manera, se logra romper esa simetría, deja de ser líquido, como cuando se congela, convirtiendo sus partículas en cristales, creando un patrón que se repite a lo largo de su estructura.

Formando cristales de tiempo

Científicos de la Universidad de Granada, en España, y de la Universidad de Tubinga, en Alemania, descubrieron una manera de hacer cristales de tiempo, donde los átomos repiten un patrón a través de la cuarta dimensión, el tiempo, a diferencia de los cristales normales (como un diamante), que tienen átomos dispuestos en una estructura espacial repetitiva. Lo lograron a partir de fluctuaciones extremas en sistemas físicos de muchas partículas.

En la investigación, querían romper la simetría de un fluido, pero no a lo largo de su espacio, sino del tiempo, para lo cual, utilizaron el superordenador Proteus, uno de los equipos de cálculo científico general más potentes, perteneciente al Instituto Carlos I, de Física Teórica y Computacional, de la Universidad de Granada. Pablo Hurtado, de dicha facultad, explicó que la teoría de la relatividad de Einstein dice que el tiempo es, de alguna manera, flexible y que está estrechamente unido al espacio, en un todo que conocemos como espacio-tiempo. Esa unificación es, sin embargo, parcial, ya que el tiempo sigue siendo especial en muchos sentidos, indica el científico, que pone como ejemplo que “podemos movernos adelante y atrás entre dos puntos en el espacio, pero no podemos visitar el pasado; el tiempo tiene una flecha, mientras que el espacio no”.

Con su estudio, los investigadores demostraron que ciertas transiciones de fase dinámicas que aparecen en las fluctuaciones raras de muchos sistemas físicos rompen espontáneamente la simetría de traslación en el tiempo. Lo que hace ese campo es empujar algunas de las partículas del fluido y frenar otras, con lo cual se produce una acumulación de partículas, que, a su vez, produce una onda que viaja de manera constante por el sistema. El resultado fue que el paquete de partículas comenzó a viajar incesantemente por el sistema.

El hallazgo es especialmente relevante en áreas como la metrología, para el diseño de relojes más precisos; o en computación cuántica, donde los cristales de tiempo pueden utilizarse para simular estados fundamentales o diseñar ordenadores cuánticos más robustos. Se ha comprobado, una vez más, que la naturaleza no deja de sorprendernos.