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

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

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

Los científicos han descubierto recientemente que se puede observar un efecto similar con el tiempo. La ruptura de la simetría, como sugiere su nombre, solo puede ocurrir donde existe algún tipo de simetría. En el dominio del tiempo, una fuerza o fuente de energía que cambia cíclicamente produce naturalmente un patrón temporal.

La ruptura de simetría ocurre cuando un sistema movido por tal fuerza experimenta un momento de déjà vu, pero no con el mismo periodo que el de la fuerza. Durante la última década, los «cristales de tiempo» se han investigado como una nueva fase de la materia y, más recientemente, se han observado bajo condiciones experimentales elaboradas en sistemas aislados. Estos experimentos requieren temperaturas extremadamente bajas u otras condiciones adversas para minimizar las influencias externas no deseadas.

Para que los científicos aprendan más sobre los cristales de tiempo y utilicen su potencial tecnológico, deben encontrar formas de producir estados de cristal de tiempo y mantenerlos estables fuera del laboratorio.

Investigación de vanguardia realizada por UC Riverside y publicada esta semana en Naturaleza Comunicación ahora ha observado cristales de tiempo en un sistema que no está aislado de su entorno circundante. 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.

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«Cuando su sistema experimental intercambia energía con su entorno, la disipación y el ruido trabajan de la mano para destruir el orden temporal», dijo el autor principal Hossein Taheri, profesor asistente de investigación de ingeniería eléctrica e informática a Marlan y Rosemary Bourns de UC Riverside. Colegio de Ingenieria. «En nuestra plataforma fotónica, el sistema equilibra la ganancia y la pérdida para crear y preservar cristales de tiempo».

Avanzando en la idea ideada hace una década por el premio Nobel Frank Wilczek, un equipo de investigadores dirigido por el profesor asistente de investigación de UC Riverside, Hossein Taheri, demuestra nuevos cristales de tiempo que persisten indefinidamente a temperatura ambiente, a pesar del ruido y la pérdida de energía.

El cristal de tiempo totalmente óptico se fabrica utilizando un resonador de vidrio de fluoruro de magnesio en forma de disco de un milímetro de diámetro. Cuando fueron bombardeados con dos rayos láser, los investigadores observaron picos subarmónicos, o tonos de frecuencia entre los dos rayos láser, lo que indicaba una ruptura en la simetría del tiempo y la creación de cristales de tiempo.

El equipo dirigido por la UCR utilizó una técnica llamada bloqueo de autoinyección de los dos láseres en el resonador para lograr robustez frente a los efectos ambientales. Las firmas de estado que se repiten en el tiempo de este sistema se pueden medir fácilmente en el dominio de la frecuencia. La plataforma propuesta simplifica, por tanto, el estudio de esta nueva fase de la materia.

Sin necesidad de baja temperatura, el sistema se puede mover fuera de un laboratorio complejo para aplicaciones de campo. Una de esas aplicaciones podría ser mediciones de tiempo muy precisas. Como la frecuencia y el tiempo son inversos matemáticos entre sí,[{» attribute=»»>accuracy in measuring frequency enables accurate time measurement.

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“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.