Científicos de Argentina y Alemania fabricaron un material que sigue patrones de periodicidad temporal, y que denominan “cristales de tiempo”. Lograron controlar distintas fases dinámicas de este material en el que se acoplan luz, electrones y sonido al ritmo de un reloj interno. El avance podría influir en la tecnología de transmisión ultrarrápida de información.
Fecha de publicación: 31/05/2024
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.
LENTE. El equipo de trabajo en el Laboratorio de Fotónica y Optomecánica- CAB. Crédito: Ramiro Sáenz Valenzuela (Prensa IB)
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 condensado (ver columna “Experimentos al ritmo de…”). 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.
INVESTIGADOR. Gonzalo Usaj, docente del Instituto Balseiro, uno de los autores del artículo de Science (Prensa IB)
“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.
AUTORES. Ignacio Carraro-Haddad, Dimitri Chafatinos, Alexander Kuznetsov, Ignacio Papuccio-Fernández, parte del equipo de Trabajo (Prensa IB)
“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.
CRISTAL DE TIEMPO. Oscila en el tiempo con período propio (Prensa IB)
“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 (ver columna más abajo: “Cristales en el tiempo”).
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.
Por Laura García Oviedo / Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro
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Material adicional
Columna 1
Experimentos al ritmo de una “hamaca” con luz, electrones y sonido
Por Alex Fainstein*
El experimento es así: envías un haz de luz continuo (láser) sobre el dispositivo. Continuo quiere decir que es un flujo constante de fotones, siempre la misma cantidad, uniforme. Y la luz que sale emitida del material (eso medimos) en lugar de ser continua es pulsada. Es decir, el número de fotones emitidos oscila en el tiempo.
¿Cómo lo sabemos? Primero nos dimos cuenta, porque la luz que es continua es monocromática, es decir que tiene un único color. En cambio, si oscila en el tiempo de manera periódica tiene en principio dos o más colores. Tenemos un sistema que resuelve los colores con súper-alta resolución, algo que otros grupos en el mundo no usan, y eso nos permitió tener la primera evidencia (de alguna manera, serendipia).
Luego armamos otro experimento que usa el fenómeno de interferencia de la luz emitida, y eso nos permitió tener una evidencia directa de que el número de fotones emitidos está oscilando en el tiempo.
¿Dónde aparecen los fonones, el sonido?: Es que para una cierta potencia del láser incidente, encontramos que la frecuencia de estos “pulsos” de fotones se “clava” (se fija) en unos 20GHz, que es una frecuencia que, por otros estudios realizados, sabemos que tienen las vibraciones mecánicas de ese sistema.
El modelado teórico del fenómeno (liderado por Gonzalo Usaj) nos permitió describir lo que ocurre: a baja potencia del láser el sistema de luz y electrones oscila solo (el cristal de tiempo). Cuando aumentamos la potencia del láser su frecuencia de oscilación llega a ser igual a la de las vibraciones mecánicas. En esa instancia el modelo muestra que las auto-oscilaciones de la luz y los electrones fuerzan las vibraciones mecánicas, las inducen. Notablemente, una vez “despertadas” estas oscilaciones mecánicas actúan a su vez sobre la luz y los electrones fijando la frecuencia de la oscilación como si fueran un metrónomo, un reloj.
Esto es de alguna manera (pictóricamente) como tu hijo en una hamaca (la hamaca con él sentado serían las vibraciones mecánicas del sistema): para moverla, tenés que empujarla con un ritmo preciso, que es el ritmo de la hamaca. Ese empuje (lo que hacés vos) es equivalente a lo que hace el sistema auto-oscilante de luz y electrones que oscila: “empujan” las oscilaciones mecánicas del sistema. Pero fijate que de alguna manera la hamaca te condiciona a vos: si alguien te mira de lejos, verá que, en definitiva, terminás vos moviéndote al ritmo de la hamaca y todos se mueven con el mismo ritmo, vos, la hamaca, tu hijo. Algo así le pasa a nuestro sistema, luz, electrones, y sonido (que son ondas mecánicas) terminan oscilando todos al mismo ritmo...
*Alejandro (Alex) Fainstein es egresado y docente del Instituto Balseiro (CNEA-UNCUYO) y es uno de los autores del paper publicado en Science. Creó el Laboratorio de Fotónica y Optomecánica del Centro Atómico Bariloche. Investigador de CNEA y CONICET e INN.
Columna 2
Cristales en el Tiempo: Cuando la física nos acerca a la simple complejidad de la vida
Por Horacio M. Pastawski*
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.
En el límite cuántico estas constituyen una cuasi-partícula denominada polariton. Es un objeto microscópico que a pesar de tener un origen complejo tiene propiedades muy simples como impulso, localización y energía que lo hace parecido a una pelota de fútbol microscópica. Pero con propiedades cuánticas, es decir inherentemente ondulatorias.
Esta vez, llevaron 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. Esto es posible gracias a la complejidad de las interacción y al flujo continuo de energía inyectado en el sistema.
Esto les exigió controlar detalladamente los mecanismos experimentales microscópicos gobiernan las interacciones entre la luz, las cargas electrónicas y los iones moleculares, en conjunto con la resolución autoconsistente de notable complejidad matemática. Así como un cristal mineral es un arreglo de átomos en el espacio organizado como las naranjas en una caja, ahora ciertos eventos aparecen en una secuencia temporal periódica que no coincide con la perturbación externa.
Se crea así un estado que oscila en el tiempo con período propio, un cristal en el tiempo. Aparece aquí la necesidad de describir el flujo de energía entrando y escapando del material observado. Esto nos coloca en otra novedosa área de estudio, la de los sistemas abiertos. Hasta ahora, los físicos procuraban estudiar átomos, moléculas y cristales, como entes ideales, que estén lo más aislados posible de los efectos ambientales.
Este grupo, sin embargo, procuró aprovechar al máximo el intercambio con el medio externo, en realidad, esta es la estrategia aprovechada por la Naturaleza, para hacer la vida sustentable. Esta investigación nos acerca un poco más a ese flujo vital que nos sustenta.
No debe usarse la mala traducción “cristales de tiempo”, sino la establecida por Investigación y Ciencia cuando publicó el artículo de divulgación escrito por el premio Nobel Frank Wilzcek (https://dialnet.unirioja.es/ejemplar/552034 / o ver también SciAm_201911- XtalTiempo.pdf )
Si bien este trabajo es realizado con colaboradores europeos, es claro que constituye el destilado de un esfuerzo continuado realizado por el grupo liderado por Fainstein, y que se encuentra bien documentado en las referencias. El Dr. Alex Fainstein ha sido designado este año miembro correspondiente de la Academia Nacional de Ciencias.
*Horacio M. Pastawski, Académico de Número de la Academia Nacional de Ciencias, Universidad Nacional de Córdoba e Instituto de Física Enrique Gaviola.
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
Enlace a una Web Story en cuenta de Instagram del IB, realizada por Agostina Valentino del ACIyP-IB: https://www.instagram.com/stories/institutobalseiro/3380263073581948180/?igsh=YjM1ZXF2cTh3bzNy
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Nota: Laura García Oviedo
Área de Comunicación Institucional y Prensa (ACIyP- IB)
Crédito fotos: 1 y 6: Ilustraciones A. Kuznetsov (PDI) / 2 y 3: Ramiro Sáenz Valenzuela / 4 y 5: Gentileza
Instituto Balseiro, San Carlos de Bariloche, 31/05/2024
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