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La creación de los cristales del tiempo
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La creación de los cristales del tiempo

Los físicos crean una nueva forma de materia que puede ser la clave para desarrollar máquinas cuánticas.

Tradicionalmente hablando, los cristales - como la sal, el azúcar o incluso los diamantes - son simplemente arreglos periódicos de átomos en una red tridimensional.

Los físicos de Harvard han creado una nueva forma de materia - llamada un cristal de tiempo - que podría ofrecer importantes conocimientos sobre el misterioso comportamiento de los sistemas cuánticos.

Tradicionalmente hablando, los cristales - como la sal, el azúcar o incluso los diamantes - son simplemente arreglos periódicos de átomos en una red tridimensional.

Los cristales de tiempo, por otra parte, toman esa noción de átomos arreglados periódicamente y añaden una cuarta dimensión, sugiriendo que - bajo ciertas condiciones - los átomos que algunos materiales pueden exhibir estructura periódica a través del tiempo.

Dirigido por los profesores de Física Mikhail Lukin y Eugene Demler, un equipo compuesto por becarios posdoctorales Renate Landig y Georg Kucsko, Junior Fedred Vedika Khemani, y los estudiantes de posgrado del Departamento de Física Soonwon Choi, Joonhee Choi y Hengyun Zhou construyeron un sistema cuántico usando un pequeño Pedazo de diamante incrustado con millones de impurezas de escala atómica conocidas como centro de vacíos de nitrógeno (NV). Luego utilizaron pulsos de microondas para "patear" el sistema fuera del equilibrio, haciendo que los giros del centro NV volvieran a intervalos de tiempo preciso, uno de los marcadores clave de un cristal de tiempo. El trabajo se describe en un artículo publicado en Nature en marzo.

Otros co-autores del estudio son Junichi Isoya, Shinobu Onoda, e Hitoshi Sumiya de la Universidad de Tsukuba, Takasaki Advanced Research Institute y Sumitomo, Fedor Jelezko de la Universidad de Ulm, Curt von Keyserlingk de la Universidad de Princeton y Norman Y. Yao de UC Berkeley .

Pero la creación de un cristal de tiempo no es significativa simplemente porque demuestra que los materiales previamente sólo teóricos pueden existir, dijo Lukin, sino porque ofrecen a los físicos una ventana tentadora en el comportamiento de tales sistemas fuera de equilibrio.

"Actualmente hay un amplio trabajo en curso para entender la física de los sistemas cuánticos que no están en equilibrio", dijo Lukin. "Este es un área que es de interés para muchas tecnologías cuánticas, porque una computadora cuántica es básicamente un sistema cuántico que está muy lejos del equilibrio, está muy en la frontera de la investigación ... y realmente estamos rascando la superficie".

Sin embargo, aunque la comprensión de estos sistemas no equ librios podría ayudar a los investigadores en el camino de la computación cuántica, la tecnología detrás de los cristales de tiempo también puede tener más aplicaciones a corto plazo.

"Un área específica donde pensamos que esto podría ser útil, y esta fue una de nuestras motivaciones originales para este trabajo, es en la medición de precisión", dijo Lukin. "Resulta que, si usted está tratando de construir ... por ejemplo, un sensor de campo magnético, puede utilizar NV-centro gira", dijo. "Así que es posible que estos estados de no-equilibrio de la materia que creamos puedan resultar útiles".

La idea de que tales sistemas pudieran ser construidos en todo, sin embargo, inicialmente parecía improbable. De hecho, varios investigadores (los nombres son Patrick Bruno, Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa) fueron tan lejos como para probar que sería imposible crear un cristal de tiempo en un sistema cuántico que estuviera en equilibrio.

"La mayoría de las cosas que nos rodean están en equilibrio", explicó Lukin. "Eso significa que si tienes un cuerpo caliente y un cuerpo frío, si los juntas, su temperatura igualará, pero no todos los sistemas son así".

Uno de los ejemplos más comunes de un material que está fuera de equilibrio, dijo, es algo que muchas personas usan diariamente - el diamante.

Una forma cristalizada de carbono que se forma bajo intenso calor y presión, el diamante es inusual porque es meta-estable, lo que significa que una vez que adopte esa formación de cristal, se mantendrá de esa manera, incluso después de que el calor y la presión se eliminan.

Es sólo muy recientemente, según Lukin, que los investigadores comenzaron a darse cuenta de que los sistemas de no equilibrio -especialmente aquellos conocidos como sistemas "impulsados", que los investigadores pueden "patear" con pulsos de energía periódicos, pueden exhibir las características de un cristal de tiempo.

Una de esas características, dijo, es que la respuesta del cristal a través del tiempo permanecerá robusta con respecto a las perturbaciones.

"Un cristal sólido es rígido ... así que si lo empujas, tal vez la distancia entre los átomos cambie un poco, pero el cristal mismo sobrevive", dijo. "La idea de un cristal de tiempo es tener ese tipo de orden en un dominio del tiempo, pero debe ser robusto".

Otro ingrediente importante es típicamente si usted mantiene empujando un sistema lejos del equilibrio que comienza a calentar para arriba, pero resulta que hay una clase de sistemas que son resistentes a esta calefacción, "Lukin agregó." Resulta que el efecto del cristal de tiempo es Fuertemente relacionado con esta idea de que un sistema se excita, pero no absorbe energía ".

Para construir un sistema de este tipo, Lukin y sus colegas comenzaron con una pequeña pieza de diamante que estaba incrustado con tantos centros NV que parecía negro.

"Sometimos ese diamante a pulsos de microondas, que cambian la orientación de los giros de los centros NV", explicó Lukin. "Eso básicamente toma todas las vueltas que se señalan y las rechaza, y un impulso siguiente las vuelve a subir".

Para probar la robustez del sistema, Lukin y sus colegas variaron el tiempo de los pulsos para ver si el material continuaría respondiendo como un cristal de tiempo.

"Si no orientas todas las vueltas completamente hacia arriba o hacia abajo cada vez, entonces muy rápidamente, terminarás con un sistema completamente al azar", dijo Lukin. "Pero las interacciones entre los centros NV estabilizan la respuesta: obligan al sistema a responder de manera periódica y cronológica".

Estos sistemas podrían ser críticos en el desarrollo de computadoras cuánticas útiles y sensores cuánticos, dijo Lukin, porque demuestran que dos componentes críticos - tiempos largos de memoria cuántica y una densidad muy alta de bits cuánticos - no son mutuamente exclusivos.

"Para muchas aplicaciones que desea tanto de esos", dijo Lukin. "Pero estos dos requisitos suelen ser contradictorios ... este es un problema bien conocido.El presente trabajo demuestra que podemos lograr la combinación deseada.Hay todavía mucho trabajo por hacer, pero creemos que estos efectos podrían permitir Nosotros para crear una nueva generación de sensores cuánticos, y posiblemente podría tener a largo plazo otras aplicaciones a cosas como los relojes atómicos "


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