Resumen para el lector
- Investigadores demostraron que dos partículas levitadas por una onda sonora constante pueden entrar en un movimiento repetitivo y auto-sostenido, conocido como cristal de tiempo clásico, sin necesidad de sincronización externa ni efectos cuánticos.
- El sistema se basa en fuerzas mediadas por el sonido no recíprocas entre partículas ligeramente diferentes, lo que permite que la energía de un campo acústico estático equilibre la fricción y mantenga oscilaciones de larga duración.
- Los hallazgos muestran que la simetría de traslación temporal puede romperse en sistemas físicos ordinarios, abriendo posibles vías para osciladores y sensores compactos basados en la física clásica.
- Imagen: Una imagen de fotogramas sucesivos que muestra pares de cuentas de escala milimétrica formando un cristal de tiempo durante aproximadamente un tercio de segundo. Los colores representan las interacciones de las cuentas en diferentes etapas durante este período. (Centro de Investigación de Materia Blanda de la NYU)
Un par de partículas diminutas levitadas por ondas sonoras pueden bloquearse en un movimiento perpetuo sin sincronización externa, ofreciendo una nueva forma de construir osciladores auto-sostenidos y desafiando las suposiciones sobre cómo deben funcionar los sistemas ordenados en el tiempo.
Ese es el hallazgo central de un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Nueva York, quienes informan que dos partículas de escala milimétrica suspendidas en una onda sonora estacionaria pueden entrar en un ciclo de movimiento estable y repetitivo, conocido como cristal de tiempo, a pesar de la fricción y sin una conducción periódica. El trabajo demuestra que los cristales de tiempo, que antes se pensaba que eran principalmente un fenómeno cuántico, pueden surgir en sistemas ordinarios y clásicos a través de interacciones cuidadosamente estructuradas.
El estudio, publicado en Physical Review Letters, demuestra que las fuerzas no recíprocas (interacciones donde la acción y la reacción no son iguales) permiten que el sistema extraiga continuamente energía de un campo de sonido estático y la convierta en movimiento de larga duración. Bajo condiciones específicas, las oscilaciones rompen la simetría de traslación temporal, lo que significa que el sistema cambia con el tiempo, aunque las reglas que lo rigen no lo hagan.
Según la universidad, los resultados amplían la creciente familia de sistemas de cristales de tiempo y, al mismo tiempo, expanden las perspectivas que estos cristales tienen para la tecnología y la industria, como usos en la detección, la generación de señales y los dispositivos de sincronización mecánica.
Los investigadores agregaron que estos cristales de tiempo, que se pueden ver a simple vista, están suspendidos en un dispositivo de un pie de altura que se puede sostener en la mano.
“Los cristales de tiempo son fascinantes no solo por las posibilidades que ofrecen, sino también porque parecen exóticos y complicados”, dijo el profesor de física David Grier, director del Centro de Investigación de Materia Blanda de la NYU y autor principal del artículo, en una publicación de la universidad. “Nuestro sistema es notable porque es increíblemente simple”.
Rompiendo la simetría del tiempo con el sonido
Un poco de contexto: Los cristales de tiempo son sistemas que se repiten en el tiempo de la misma manera que los cristales ordinarios se repiten en el espacio. En lugar de átomos dispuestos en un patrón fijo, un cristal de tiempo recorre un ciclo de movimiento a un ritmo constante. La característica definitoria es que este movimiento surge por sí solo en lugar de ser impuesto por un reloj externo.
En el experimento de la NYU, los investigadores utilizaron un levitador acústico, un dispositivo que atrapa objetos pequeños en nodos de presión creados por una onda sonora estacionaria. Cada nodo actúa como un cuenco poco profundo, manteniendo una cuenta ligera en su lugar. Cuando dos cuentas están atrapadas cerca una de la otra, interactúan dispersando ondas sonoras de un lado a otro.
Esas ondas dispersas generan fuerzas entre las partículas, según el equipo de investigación, que incluyó a Mia Morrell, estudiante de posgrado de la NYU, y Leela Elliott, estudiante de pregrado de la NYU. El equipo agrega que, importante, las fuerzas no siempre son iguales en ambas direcciones si las partículas difieren ligeramente en tamaño. Esta asimetría permite que el par extraiga energía del campo de sonido circundante.
La mayoría de las veces, la fricción del aire amortigua rápidamente cualquier movimiento, dejando las partículas inmóviles. Pero los investigadores encontraron que para ciertas combinaciones de tamaño, la energía obtenida de estas interacciones asimétricas equilibra exactamente la energía perdida por la resistencia. Cuando eso sucede, las partículas se asientan en un ritmo constante de movimiento.
Dependiendo de los parámetros, las partículas pueden moverse juntas en sincronía u oscilar en oposición, como dos masas conectadas por un resorte invisible. En un régimen, la oscilación rompe tanto la simetría espacial como la temporal, cumpliendo con la definición formal de un cristal de tiempo continuo.
El sistema no requiere una señal de sincronización externa. La onda sonora que mantiene las partículas en su lugar es estática y la frecuencia de oscilación surge de la dinámica de las propias partículas.
Cómo construyeron el sistema los investigadores
Como se mencionó, el experimento utiliza una configuración relativamente simple. El levitador opera a 40 kilohercios, muy por encima del rango del oído humano y crea una línea de nodos de presión espaciados a unos pocos milímetros de distancia. Las cuentas de poliestireno expandido, más ligeras que el aire pero lo suficientemente rígidas como para dispersar el sonido, se colocan en nodos adyacentes.
Las cámaras de alta velocidad rastrean el movimiento de las cuentas durante largos períodos de tiempo, a veces cientos de segundos a la vez. Los investigadores analizan el movimiento separándolo en modos colectivos y midiendo el contenido de frecuencia de cada uno.
Junto con los experimentos, el equipo desarrolló un modelo teórico que captura cómo las fuerzas mediadas por el sonido actúan entre las partículas. Las ecuaciones describen cómo las fuerzas de restauración, la resistencia y las interacciones no recíprocas se combinan para determinar si el movimiento crece, disminuye o se estabiliza.
El modelo predice límites claros entre estados pasivos, osciladores ordinarios y el comportamiento de los cristales de tiempo. Las mediciones de los experimentos se alinean estrechamente con esas predicciones, incluidas las frecuencias y la estabilidad de las oscilaciones observadas.
Un resultado sorprendente es la coherencia del movimiento. En algunos casos, las oscilaciones persisten durante horas, mucho más tiempo de lo que tardaría la fricción sola en detenerlas. Esa persistencia es un requisito clave para cualquier aplicación práctica de sincronización o detección.
Por qué esto es importante para la tecnología
Los hallazgos sugieren una nueva forma de diseñar osciladores y detectores compactos que no dependan de la retroalimentación electrónica o de relojes externos. Debido a que la frecuencia de oscilación surge del propio sistema, dichos dispositivos podrían ser inherentemente estables frente a ciertos tipos de ruido.
Más ampliamente, el trabajo muestra que la disipación (la pérdida de energía al medio ambiente) no siempre destruye el orden. En las condiciones adecuadas, la disipación puede ayudar a estabilizarlo. Esa idea va en contra de la intuición de ingeniería tradicional, que generalmente trata la fricción y la pérdida como problemas que deben minimizarse.
El estudio también destaca el papel de las interacciones no recíprocas como fuente de actividad sostenida. Efectos similares aparecen en óptica, mecánica y electrónica, lo que sugiere que los principios subyacentes podrían traducirse a otras plataformas.
Los autores señalan que matrices más grandes de partículas podrían mostrar un comportamiento aún más rico, incluidas transiciones entre movimiento similar a una onda y actividad localizada. Dichos sistemas podrían servir como bancos de pruebas para estudiar cómo surge el orden en sistemas impulsados y fuera del equilibrio.
Qué significa esto (y qué no) para la tecnología cuántica
Los cristales de tiempo a menudo se asocian con sistemas cuánticos porque se propusieron por primera vez en sistemas cuánticos. Sin embargo, los investigadores enfatizan que este trabajo es completamente clásico. Las partículas siguen las leyes ordinarias del movimiento y no hay coherencia cuántica ni entrelazamiento involucrados.
El estudio no avanza la computación cuántica, al menos directamente, ni ofrece una nueva forma de almacenar o procesar información cuántica. Sin embargo, aquellos en la industria cuántica pueden ver este trabajo como una forma de avanzar en la cuántica al aclarar qué aspectos del comportamiento de los cristales de tiempo dependen de la mecánica cuántica y cuáles no.
Para los ingenieros cuánticos, eso tiene valor porque los cristales de tiempo cuánticos enfrentan importantes desafíos del ruido y el calentamiento. El sistema acústico muestra cómo el movimiento que rompe la simetría se puede estabilizar utilizando disipación y acoplamiento no recíproco, herramientas que también existen en el hardware cuántico, como circuitos de microondas y redes fotónicas.
Al proporcionar un ejemplo clásico limpio y controlable, el trabajo ofrece información sobre cómo se pueden diseñar las fases de sincronización y oscilación en sistemas cuánticos más frágiles. También ayuda a separar las ventajas cuánticas genuinas de los comportamientos que la física clásica ya puede reproducir.
Límites y próximos pasos
El sistema depende de propiedades de las partículas cuidadosamente ajustadas. Si las partículas son demasiado similares, las interacciones se vuelven recíprocas y las oscilaciones desaparecen. El efecto también depende de operar dentro de un rango estrecho de tamaños y fuerzas de acoplamiento.
Ampliar el sistema más allá de unas pocas partículas introduce complejidad adicional, incluido el desorden y los modos de movimiento en competencia. Comprender cómo interactúan esos factores será clave para cualquier aplicación práctica.
El trabajo futuro probablemente explorará otras plataformas basadas en ondas, incluidos los sistemas ópticos y mecánicos, para probar si se aplican principios similares. Los investigadores también pueden investigar si este comportamiento de cristal de tiempo se puede aprovechar para detectar fuerzas débiles o cambios ambientales.
