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”.

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”. 

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.