"Cristales de Tiempo": Logran Fabricar un Material con Potenciales Aplicaciones en Tecnología

Utilizaron un láser, una mesa óptica y una única “nanocavidad” que funciona como una “trampa” de espejos diminutos para acoplar luz, electrones y sonido. Así, físicos experimentales y teóricos de Argentina y Alemania lograron controlar distintas fases de un estado sólido de la materia novedoso a nivel mundial al que denominan “cristales de tiempo”, por la periodicidad de sus oscilaciones. El reporte acaba de ser publicado en la prestigiosa revista internacional Science. 

¿Qué utilidades o usos podría tener el control de este fenómeno? El equipo, en el que participan egresados y docentes del Instituto Balseiro (CNEA-UNCUYO), investigadores de CNEA, CONICET e INN, destacó 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, según afirman los autores del paper. Incluso, algunos aspectos que se están comprendiendo con este trabajo podrían influir en el mundo de la computación cuántica.

El equipo ya había reportado, en un artículo científico de 2023, la manipulación de “condensados de polaritones” en un sistema experimental de redes de nanocavidades (o “trampas”, con la forma de una “huevera” a escalas diminutas) y un láser externo. Allí habían medido que los condensados, que son un fluido de luz (fotones) y electrones (excitones) descubierto en 2006, se acoplaban induciendo vibraciones mecánicas (fonones) de las nanocavidades hechas de material semiconductor.  

Ahora, en el artículo de Science recién publicado, el grupo informó los resultados de los experimentos realizados en una única nanocavidad. Mediante el control de la potencia de un láser externo, cuya amplitud es constante en el tiempo, descubrieron que el condensado de polaritones genera su propia dinámica auto-inducida, la cual luego se fija con la frecuencia de vibraciones mecánicas de la misma. Al aumentar aún más la potencia, oscila a la mitad de la frecuencia de las vibraciones mecánicas. “Excitones y polaritones acoplados en un sólido cuántico forman un cristal de tiempo que oscila al ritmo de las vibraciones de los fonones”, escribieron en Science.

En otras palabras, con el láser externo y enfocándose en una única nanocavidad, los físicos lograron marcar el ritmo al “tic tac” del condensador. En la literatura científica contemporánea, esas fases de sistemas de muchas partículas son denominadas  “cristales continuos de tiempo” por la salvedad de tener un estímulo externo independiente del tiempo: el láser manipulado por los científicos. 

EQUIPO. Parte del grupo de investigadores en el Centro Atómico Bariloche. Crédito: Ramiro Sáenz Valenzuela (Prensa IB)

Átomos y patrones

Ocurre que 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 se pueden organizar de forma periódica en el espacio. 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, esta propuesta, 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 disipativos que presentan una respuesta periódica inducida por la perturbación de un láser externo continuo”, explicó Usaj, uno de los autores del artículo de Science.

“La materia en estado sólido en la naturaleza se encuentra muchas veces con forma de cristal: el estado más estable, bajo ciertas condiciones de temperatura y presión, corresponde a una estructura cristalina, es decir, un arreglo periódico de átomos en el espacio”, explicó Gonzalo Usaj, que 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).

“La red cristalina o cristal espacial tiene la particularidad de que una vez conocida la posición de un átomo uno puede saber la de todo el resto. Todas las posiciones son equivalentes a priori, pero una dada condición inicial aleatoria favorece ligeramente una y el sistema la adopta. A esto se le denomina una ruptura espontánea de la simetría de traslación, y se da como un fenómeno colectivo que emerge de la propia complejidad de la interacción de muchas partículas”, comentó Usaj sobre los cristales espaciales. 

La sal, el azúcar, o la mayoría de los metales que están presentes en la vida cotidiana son algunos ejemplos de cristales espaciales. Ahora bien, ¿cómo hallaron esta especie de cristales análogos por su periodicidad en el tiempo?

Experimentos y fases

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 sigue una fase “estable” 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,  “discretos”, cuando el condensado oscila a una frecuencia más baja, 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”.

El joven físico también comentó que en el Laboratorio de Fotónica y Optomecánica del Centro Atómico Bariloche, donde realizaron los experimentos, se diferencian de otros grupos del mismo campo en el mundo por la experiencia de más de 20 años en el diseño de las nanocavidades. “El cristal de tiempo que logramos formar presenta puntos novedosos que no se han visto en otras plataformas, gracias a esta danza polaritón-fonón”, destacó Carraro-Haddad.

“Algunos de estos puntos originales son: la capacidad de fabricarlos en una plataforma semi-conductora, las altas frecuencias de las oscilaciones, la robustez en frecuencia debido al reloj mecánico interno y el acoplamiento con las vibraciones mecánicas de la cavidad”, agregó. Además Carraro-Haddad destacó que los cristales de tiempo que fabricaron en su plataforma “presentan estados fotónicos que oscilan de manera estable y periódica en el tiempo”. 

¿Qué implica que el sistema estudiado alcance el ultrasonido de 20GHz? Un hercio (Hz) representa una repetición por segundo de un fenómeno dado, mientras que un gigahercio (GHz) es igual a mil millones de hercios. Por ejemplo, en los celulares 5G, la transmisión de información se realiza con microondas (ondas electromagnéticas), pero el procesamiento de esa información se convierte en ultrasonido dentro del celular, alcanzando los 20 GHz. Este avance podría ayudar a “traducir” los distintos tipos de señales, con un impacto potencial en la velocidad y la capacidad de las telecomunicaciones.

Miradas externas

“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 desde Francia el físico Alberto Amo, investigador en CNRS - Universidad de Lille.

“Podemos asemejarlo a un baile rítmico perfectamente coordinado entre un gran número de bailarines (los miles de partículas que intervienen en el experimento) y todo ello sin necesidad de encender la música, que impondría el ritmo desde el exterior. El secreto para ello está en el acople entre los tres tipos de partículas, posible aquí gracias a un diseño minucioso del material utilizado”, agregó Amo, que no participó en la investigación y que trabaja en el Laboratorio de Dinámica de Sistemas Complejos sobre efectos topológicos en sistemas fotónicos".

Por su parte, la física Cecilia Cormick, profesora de la Universidad Nacional de Córdoba e investigadora de CONICET, y que tampoco participó en esta investigación, comentó: “Me parece un trabajo fascinante. El foco es una situación en que la simetría de traslación temporal se rompe en forma espontánea. Lo que esto quiere decir es que tenemos un sistema gobernado por ecuaciones que no dependen del tiempo, y sin embargo en la evolución aparece una dependencia con el tiempo que no está atada a ningún ritmo marcado ‘desde afuera’”.

“Se trata de un comportamiento muy rico como resultado de la combinación de dinámica no lineal con pérdida y bombeo de energía, mezclando ingredientes muy diversos, a saber, fotones y excitaciones electrónicas y vibracionales del material. 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”, agregó Cormick, que trabaja en física teórica de óptica cuántica, control cuántico e información cuántica.

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, también comentó sobre este avance: “Es una alegría ver el trabajo del grupo de Bariloche plasmado en un artículo publicado en Science, revista estandarte de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia. El grupo liderado por Alex Fainstein tiene gran experiencia en estudiar el acoplamiento entre excitaciones electrón-hueco (excitones) con vibraciones de un cristal”, comentó por su parte.

“El grupo llevó la complejidad más allá de la frontera previamente explorada. Mediante un flujo de radiación láser intensa, logran 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”, agregó Pastawski.

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.

El grupo está integrado por Ignacio Carraro-Haddad, Dimitri Chafatinos, Alexander Kuznetsov, Ignacio Papuccio-Fernández, Andrés Reynoso, Axel Bruchhausen, Klaus Biermann,  Paulo Santos, Gonzalo Usaj y Alejandro Fainstein. 

Con respecto a los próximos pasos de la investigación, los físicos comentaron que buscarán explorar la dinámica de los cristales de tiempo, y todo el universo de condensados de polaritones, fotones, excitones y fonones, en redes de nanocavidades “comunicadas” entre sí. Aún hay muchas preguntas a resolver.

Fuente: Sitio web de Instituto Balseiro - Laura García Oviedo / Comunicación y Prensa

Enlace al paper: Solid-state continuous time crystal in a polariton condensate with a built-in mechanical clock / Science / https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn7087