En una serie de experimentos, científicos de Argentina y Alemania lograron crear en un material sólido un estado dinámico novedoso a nivel mundial. Lo denominan cristal de tiempo por la periodicidad de sus oscilaciones en ausencia de una perturbación externa dependiente del tiempo. 

Utilizaron un láser, una mesa óptica y una única nano cavidad, que funciona como una “trampa” de espejos diminutos, para acoplar luz, electrones y sonido. El reporte acaba de ser publicado en la prestigiosa revista Science (ver artículo). 

Casi la totalidad del trabajo experimental fue hecho en Bariloche, por docentes e investigadores del Instituto Balseiro (IB) y del Centro Atómico Bariloche (CAB), la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) y el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN). El crecimiento del material semiconductor de las nano cavidades y algunas mediciones específicas se hicieron en el Paul-Drude-Institut, de Alemania.

El equipo de físicos destacó que las frecuencias medidas en los experimentos son del rango del ultrasonido, de 20 GHz. Este avance podría ayudar a traducir señales ópticas y de microondas para desarrollar un procesamiento ultrarrápido de información e incluso impactar en el desarrollo de la computación cuántica.

Parte del grupo de investigadores en el Centro Atómico Bariloche. 

Mediante el control de la potencia de un láser externo descubrieron que el sistema, formado a partir de la interacción entre luz, electrones y sonido, genera su propia dinámica oscilatoria donde todo el sistema oscila al unísono, como el “tic tac” de un reloj, con una frecuencia determinada por la frecuencia de las vibraciones mecánicas.

En otras palabras, con un láser externo que impacta en una única nano cavidad, primero generaron un condensado de polaritones, producto de la interacción entre la luz (fotones) con los electrones. Luego, ese condensado genera vibraciones mecánicas (fonones) de la nano cavidad, las cuales retroalimentan el sistema y fijan la frecuencia de oscilación. 

Tiempo y patrones

El concepto de cristal de tiempo original fue propuesto en 2012 por el premio nobel en Física Frank Wilczek, en una analogía con los cristales ordinarios que siguen patrones en su organización espacial. Wilczek propuso que la materia sólida podía también ser periódica en el tiempo en su estado más estable. Esto es, que el material podría tener oscilaciones con un dado patrón en el tiempo, sin necesidad de perturbaciones externas. Sin embargo diversos trabajos en el mundo demostraron que ese concepto —en su planteo original— era incorrecto.

“Como pasa en ciencia, la propuesta de Wilczek, aunque equivocada, generó preguntas y sirvió de semilla para la aparición de distintas propuestas alternativas como ‘los cristales de tiempo’ que investigamos en este trabajo, sistemas interactuantes que presentan una respuesta periódica inducida por la perturbación de un láser externo continuo”, explicó Gonzalo Usaj, uno de los autores del artículo de Science. 

Usaj es docente del Instituto Balseiro e investigador del CONICET en el Centro Atómico Bariloche.

En los experimentos realizados en Bariloche, los científicos observaron tres fases de cristales de tiempo con comportamientos periódicos y distintas frecuencias en respuesta al aumento de la potencia del láser externo. 

Primero observaron cristales continuos cuando el láser tiene una potencia relativamente baja y donde el condensado empieza a oscilar a una frecuencia determinada por el propio condensado.

Luego observaron una fase de cristales estables cuando se usa una potencia de láser mayor y el condensado fija su frecuencia con la de las vibraciones mecánicas de la nano cavidad, también de forma periódica como un reloj. 

Finalmente, al aumentar más la potencia del láser, midieron una fase de cristales discretos, cuando el sistema oscila a la mitad de la frecuencia previa, correspondiente al ultrasonido (20 Gigahertz).

“La observación fue inicialmente experimental. Ya sabíamos que los polaritones y los fonones interactúan fuertemente pero había huecos en las observaciones. Diría que el hallazgo más grande fue entender que los experimentos estaban demostrando que el sistema estaba oscilando por su cuenta”, dijo Ignacio Carraro-Haddad, primer autor del paper publicado y doctorando en Física del Balseiro.

El cristal de tiempo oscila en el tiempo con período propio. 

Miradas de colegas

↦ Alberto Amo (físico investigador en CNRS - Universidad de Lille, Francia): “El experimento realizado es una demostración prodigiosa del acoplamiento entre tres tipos de partículas en un material cristalino: fotones, electrones y excitaciones de densidad. En este experimento, los tres tipos de partículas se coordinan espontáneamente para producir emisión de luz que oscila en el tiempo con un periodo preciso”. 

↦ Cecilia Cormick (profesora de la Universidad Nacional de Córdoba e investigadora de CONICET. Al igual que Amo, la física no participó en la investigación): “Es impresionante que se pueda llevar adelante experimentos tan sofisticados como éstos en Argentina, y también es notable el modelado teórico. Es una línea que implica muchos años de exploración de una plataforma cuántica novedosa, y un trabajo de descifrado de sus propiedades que es además el primer paso para aprender a controlar esta plataforma”.

↦ Horacio Pastawski (académico de número de la Academia Nacional de Ciencias, e investigador en la Universidad Nacional de Córdoba y el Instituto de Física Enrique Gaviola): “Es una alegría ver el trabajo del grupo de Bariloche plasmado en un artículo publicado en Science. El grupo llevó la complejidad más allá de la frontera previamente explorada. Mediante un flujo de radiación láser intensa, lograron que estas partículas tengan propiedades novedosas. En particular, se autogenera una estructura periódica en el tiempo que no coincide con la frecuencia sino que duplica su período (…) Se crea así un estado que oscila en el tiempo con período propio, un cristal en el tiempo”. 

* Una versión más completa del tema se puede ver en el sitio de Prensa y Comunicación del Instituto Balseiro.