Crearon “cristales de tiempo”, un material con potencialidad para la computación cuántica

Tras una serie de experimentos, un equipo binacional argentino-alemán, en el que participan investigadores de CNEA, CONICET, INN, junto a docentes y egresados del Instituto Balseiro, logró crear en un material sólido un estado dinámico novedoso a nivel mundial y el reporte de ese avance acaba de ser publicado en la prestigiosa revista internacional Science.

Al nuevo material 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 “nanocavidad”, que funciona como una “trampa” de espejos diminutos, para acoplar luz, electrones y sonido. El reporte acaba de ser publicado en la prestigiosa revista internacional Science.

Los co-autores del desarrollo destacaron 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, según afirman los autores del paper.

El grupo informó que mediante el control de la potencia de un láser externo descubrió 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 nanocavidad, 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 nanocavidad, las cuales retroalimentan el sistema y fijan la frecuencia de oscilación. Así los físicos lograron crear lo que en la literatura científica contemporánea se denomina “cristales continuos de tiempo”.

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 varias veces 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, dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCUYO), e investigador del CONICET en el Centro Atómico Bariloche (CNEA).

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 nanocavidad, también de forma periódica como un reloj. Y 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).

Ante la consulta de cómo se dieron cuenta de lo que observaban en los experimentos, Ignacio Carraro-Haddad, primer autor del paper recién publicado y Doctorando en Física del Instituto Balseiro, dijo: “La observación fue inicialmente experimental. Ya sabíamos que los polaritones y los fonones interactúan fuertemente pero había huecos en las observaciones”. Y agregó: “Diría que el hallazgo más grande fue entender que los experimentos estaban demostrando que el sistema estaba oscilando por su cuenta”.

Miradas de colegas

“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”, dijo el físico Alberto Amo, investigador en CNRS – Universidad de Lille, Francia.

Por su parte, la física Cecilia Cormick, profesora de la Universidad Nacional de Córdoba e investigadora de CONICET, que al igual que Amo no participó en esta investigación, comentó: “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”.

“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”, comentó por su parte Horacio M. Pastawski, Académico de Número de la Academia Nacional de Ciencias, e investigador en la Universidad Nacional de Córdoba e Instituto de Física Enrique Gaviola.

Un detalle a destacar es que casi la totalidad del trabajo experimental fue realizado en Bariloche, por docentes e investigadores del Instituto Balseiro y del Centro Atómico Bariloche, 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 nanocavidades y algunas mediciones específicas fueron realizados en el Paul-Drude-Institut, de Alemania.

Fuente: Laura García Oviedo (Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro)