Desarrollar cristales de tiempo para su uso en aplicaciones del mundo real

Los cristales de tiempo que persisten indefinidamente a temperatura ambiente pueden tener aplicaciones en el cronometraje preciso.

Todos hemos visto cristales, ya sea un grano de sal o azúcar, o una amatista hermosa y elaborada. Estos cristales consisten en átomos o moléculas que se repiten en un patrón tridimensional simétrico llamado red, donde los átomos ocupan ciertos puntos en el espacio. Al formar una red periódica, los átomos de carbono en el diamante, por ejemplo, rompen la simetría del espacio en el que se encuentran. Los físicos llaman a esto “ruptura de simetría”.

Los científicos descubrieron recientemente que se puede ver un efecto similar con el tiempo. La ruptura de la simetría, como su nombre lo indica, solo puede aparecer si existe algún tipo de simetría. En el dominio del tiempo, una fuerza o fuente de energía que cambia periódicamente produce naturalmente un patrón de tiempo.

La ruptura de simetría ocurre cuando un sistema impulsado por esta fuerza experimenta un momento de déjà vu, pero No Con el mismo período de fuerza. Los ‘cristales de tiempo’ se han buscado en la última década como una nueva fase de la materia, y recientemente se han observado en condiciones experimentales complejas en sistemas aislados. Estos experimentos requieren temperaturas extremadamente bajas u otras condiciones estrictas para minimizar las influencias externas no deseadas.

Para que los científicos aprendan más sobre los cristales de tiempo y aprovechen su potencial en tecnología, deben encontrar formas de producir y mantener estables los estados de los cristales de tiempo fuera del laboratorio.

La investigación de vanguardia dirigida por la Universidad de California en Riverside se publicó esta semana en Comunicaciones de la naturaleza Ahora observe los cristales de tiempo en un sistema que no está aislado de su entorno. Este importante logro acerca a los científicos un paso más hacia el desarrollo de cristales de tiempo para su uso en aplicaciones del mundo real.

“Cuando su sistema experimental tiene un intercambio de energía con su entorno, la disipación y el ruido funcionan en conjunto para destruir el orden temporal”, dijo el autor principal Hossein Taheri, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en Marlan y Rosemary Burns. Facultad de Ingeniería. “En nuestra plataforma óptica, el sistema logra un equilibrio entre ganancia y pérdida para crear y mantener cristales de tiempo”.

Avanzando en la idea propuesta por el premio Nobel Frank Wilczek hace una década, un equipo de investigadores dirigido por el profesor asociado de la Universidad de California en Riverside, Hossein Taheri, ha demostrado nuevos cristales de tiempo que persisten indefinidamente a temperatura ambiente, a pesar del ruido y la pérdida de energía.

La cristalización del tiempo totalmente fotónica se logra utilizando un resonador de vidrio de fluoruro de magnesio en forma de disco con un diámetro de un milímetro. Cuando se bombardearon dos rayos láser, los investigadores observaron picos subarmónicos, o tonos de frecuencia entre los dos rayos láser, lo que indica una ruptura en la simetría del tiempo y la creación de cristales de tiempo.

El equipo dirigido por la UCR utilizó una tecnología llamada bloqueo de autoinyección láser en el resonador para lograr durabilidad frente a las influencias ambientales. Las firmas de estado de repetición en el tiempo de este sistema se pueden medir fácilmente en el dominio de la frecuencia. La plataforma propuesta simplifica así el estudio de esta nueva fase de la cuestión.

Sin la necesidad de una temperatura más baja, el sistema se puede mover fuera de un laboratorio complejo para aplicaciones de campo. Una de esas aplicaciones puede ser mediciones muy precisas del tiempo. Debido a que la repetición y el tiempo son un reflejo matemático el uno del otro,[{” attribute=””>accuracy in measuring frequency enables accurate time measurement.

“We hope that this photonic system can be utilized in compact and lightweight radiofrequency sources with superior stability as well as in precision timekeeping,” said Taheri.

Reference: “All-optical dissipative discrete time crystals” by Hossein Taheri, Andrey B. Matsko, Lute Maleki and Krzysztof Sacha, 14 February 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28462-x

Taheri was joined in the research by Andrey B. Matsko at NASA’s Jet Propulsion Laboratory, Lute Maleki at OEwaves Inc. in Pasadena, Calif., and Krzysztof Sacha at Jagiellonian University in Poland.