La primera realización experimental de un cristal de tiempo disipativo.

Un cristal temporal es una fase única y exótica de la materia predicha por primera vez por el físico estadounidense Frank Wilczek en 2012. Los cristales temporales son análogos temporales de los cristales espaciales más convencionales, ya que ambos se basan en estructuras caracterizadas por patrones repetidos.

En lugar de formar patrones repetidos en el espacio tridimensional (3D), como lo hacen los cristales espaciales, los cristales temporales se caracterizan por cambios en el tiempo que ocurren en un patrón definido. Si bien algunos equipos de investigación han podido lograr estas fases exóticas de la materia, hasta ahora estos logros solo se han logrado utilizando sistemas cerrados. Esto planteó la cuestión de si los cristales temporales también podrían realizarse en sistemas abiertos, en presencia de disipación y decoherencia.

Investigadores del Instituto de Física Láser de la Universidad de Hamburgo fabricaron recientemente un cristal de tiempo en un sistema cuántico abierto por primera vez. Su artículo, publicado en Cartas de examen físico, podría tener implicaciones importantes para el estudio de fases exóticas de la materia en sistemas cuánticos.

“El objetivo principal de nuestra investigación es estudiar las fases dinámicas de la materia conocidas por cómo sus propiedades cambian con el tiempo de manera ordenada”, dijo Hans Keßler, uno de los investigadores que dirigió el estudio, en Phys.org. “Durante mis estudios de doctorado, mis colegas y yo estudiamos la transición de fase de un BEC homogéneo a una fase superradiante autoordenada y estudiamos cómo reacciona el sistema durante una extinción de un estado estable a otro”.

Dado que ningún estado físico es inherentemente estable, el siguiente paso en una investigación previa de Keßler y sus colegas fue estudiar las fases dinámicas de la materia. Son esencialmente transiciones mediante las cuales los materiales cambian sus propiedades con el tiempo.

El objetivo principal del reciente estudio de los investigadores fue lograr un cristal de tiempo disipativo en el laboratorio. Para hacer esto, utilizaron un sistema cuántico de múltiples cuerpos fuertemente acoplado a una banda estrecha. cavidad óptica.

“Fue crucial para nuestros experimentos que el campo de luz dentro del resonador y la densidad del sistema de múltiples cuerpos evolucionaran en la misma base, que viene dada por el ancho de banda de la cavidad y la frecuencia correspondiente a un solo retroceso fotónico, respectivamente. Keßler explicó. “Esta situación es única en nuestro sistema átomo-cavidad y abre la posibilidad de estudiar las fases dinámicas de la materia”.

Dado que los sistemas físicos reales nunca están completamente aislados de su entorno, son susceptibles de disiparse (es decir, perder o desperdiciar energía). Esto hace que sea difícil, si no imposible, lograr sistemas cuánticos que estén realmente cerrados durante períodos de tiempo arbitrarios. Esto es lo que finalmente inspiró a Keßler y sus colegas a intentar la realización de un cristal de tiempo en un sistema cuántico abierto.

“Hasta ahora, los cristales temporales que se han demostrado en varios grupos requerían un aislamiento cuidadoso del medio ambiente, ya que la disipación tiene el efecto indeseable de ‘derretir’ estos cristales temporales”, dijo Keßler. “La peculiaridad del cristal de tiempo en nuestra configuración de cavidad átomo es su papel positivo en la prevención de la disipación, ya que ayuda a estabilizar la dinámica del sistema. La demostración del orden de los cristales a lo largo del tiempo en un sistema abierto es, por tanto, el logro más importante de nuestro estudio. “

El estudio reciente de este equipo de investigadores ofrece una fuerte evidencia de que un cristal de tiempo discreto puede existir en un sistema de cavidad átomo abierto y arrastrado. Keßler y sus colegas ahora están tratando de hacer un cristal de tiempo continuo utilizando el mismo sistema de cavidad átomo que usaron en su trabajo reciente.

La principal diferencia entre este cristal de tiempo disipativo continuo y el cristal de tiempo disipativo discreto hecho como parte de su estudio reciente es que el primero oscila incluso en ausencia de entrenamiento de tiempo. Como resultado de esta oscilación, el nuevo cristal que están estudiando rompe espontáneamente una simetría de traslación temporal continua.

“Como propusimos para el escenario descrito en nuestro artículo reciente, nuestro sistema átomo-cavidad pasará a un estado de la materia caracterizado por oscilaciones periódicas en alguna frecuencia intrínseca”, agregó Keßler. “La fase relativa de las oscilaciones en un cristal de tiempo así debería tomar cualquier valor entre 0 y 2pi. Esto es muy diferente de la discreta cristales de tiempo, en el que la fase relativa solo puede ser 0 o pi. En cierto modo, un cristal de tiempo continuo está más cerca de un cristal sólido en el sentido de que ambos rompen la simetría continua.

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