Consiguen crear cristales del tiempo con un láser convencional
CIENCIAS EXACTAS: FÍSICA.
Investigadores de la Universidad de las Illes Balears han logrado que un láser semiconductor se autoorganice en un patrón que se repite en el tiempo, lo que rompe una simetría fundamental de la física.
El hallazgo traslada los cristales del tiempo del terreno teórico a plataformas experimentales reales.
Investigadores de la Universidad de las Illes Balears han logrado que un láser semiconductor se autoorganice en un patrón que se repite en el tiempo, lo que rompe una simetría fundamental de la física./ UIB.
Un equipo de investigadores del grupo de investigación en Óptica y Ciencias No Lineales (ONL) del Instituto de Aplicaciones Computacionales de Código Comunitario (IAC3) de la Universidad de las Illes Balears ha conseguido observar por primera vez cristales del tiempo discretos en un sistema láser sencillo y accesible.
El estudio muestra como un láser semiconductor puede autoorganizarse en un nuevo estado dinámico que se repite en el tiempo, y no en el espacio
El trabajo, publicado en la revista científica Physical Review Letters, muestra como un láser semiconductor puede autoorganizarse en un nuevo estado dinámico que se repite en el tiempo, y no en el espacio, rompiendo una simetría fundamental de la física. Este resultado acerca un fenómeno hasta hace poco considerado puramente teórico a plataformas experimentales reales y robustas.
En ausencia de forzamiento externo, las leyes físicas son invariantes bajo traslaciones continuas en el tiempo (el sistema no ‘distingue’ un instante de otro). Sin embargo, cuando el sistema es excitado de manera periódica, esa simetría continua queda reducida a una simetría discreta: el sistema solo es invariante bajo desplazamientos temporales iguales al periodo del forzamiento, tal y como como un efecto estroboscópico.
En este contexto, puede ocurrir una ruptura espontánea de simetría temporal discreta, en la que la respuesta del sistema adopta un periodo diferente del impuesto externamente, lo que corresponde precisamente a los llamados cristales del tiempo.
Efecto estreboscópico.
Un modo sencillo de entender este fenómeno es mediante el llamado efecto estroboscópico. Imaginemos a un niño en un columpio al que se le aplica un empuje periódico perfectamente regular: por ejemplo, un adulto lo impulsa ligeramente una vez por cada oscilación del sistema de referencia externo.
El sistema deja de respetar la periodicidad impuesta por el forzamiento y adopta una periodicidad propia, emergente, que es un múltiplo entero del periodo externo
Si tomamos fotografías siempre en el mismo instante de cada ciclo de empuje —es decir, una ‘foto estroboscópica’ sincronizada con el periodo de excitación—, en un régimen simple, cada fotografía muestra al sistema en la misma posición: todas las imágenes son idénticas. Esto refleja que el sistema respeta la simetría de traslación temporal discreta impuesta por el forzamiento: si avanzamos exactamente un periodo, nada cambia.
Sin embargo, bajo ciertas condiciones no lineales o de interacción, el sistema puede reorganizarse espontáneamente. Entonces aparece una situación más sorprendente: aunque seguimos tomando una foto cada periodo del forzamiento, el columpio ya no repite su estado en cada imagen. En lugar de eso, puede tardar dos, tres o más periodos en volver a la misma configuración.
Por ejemplo, puede ocurrir que en una foto el columpio esté a la izquierda, en la siguiente a la derecha, y solo en la tercera vuelva a la izquierda. Desde el punto de vista estroboscópico, el sistema ha ‘cambiado de ritmo’ sin que hayamos cambiado el ritmo de excitación.
Esto es precisamente lo que se interpreta como una ruptura espontánea de la simetría temporal discreta: el sistema deja de respetar la periodicidad impuesta por el forzamiento y adopta una periodicidad propia, emergente, que es un múltiplo entero del periodo externo.
Un láser semiconductor.
En este estudio, los investigadores han utilizado un láser semiconductor en régimen de bloqueo de modos activo, un dispositivo habitual en fotónica, para demostrar que el sistema puede experimentar una transición repentina: en lugar de emitir pulsos de luz regularmente espaciados, el láser emite solo un pulso de cada dos y pasa a funcionar con un periodo doble.
Este fenómeno, conocido como duplicación del periodo, es una firma clara de un cristal del tiempo discreto. Además, el sistema puede adoptar dos configuraciones temporales equivalentes, desplazadas entre sí, que pueden coexistir dentro del mismo láser. Las fronteras entre estas configuraciones actúan como paredes de dominio, una característica propia de los cristales convencionales, pero trasladada ahora al eje temporal.
Según explica Julien Javaloyes, investigador principal del grupo ONL de la UIB y autor del estudio, “este resultado demuestra que los cristales del tiempo no son una curiosidad limitada a experimentos extremadamente complejos, sino que pueden emerger de manera natural en sistemas ópticos sencillos y controlables, con un gran potencial tecnológico”.
"Este resultado demuestra que los cristales del tiempo no son una curiosidad limitada a experimentos extremadamente complejos, sino que pueden emerger de manera natural en sistemas ópticos sencillos y controlables, con un gran potencial tecnológico". Julien Javaloyes, UIB.
Más allá de su interés fundamental, este descubrimiento abre la puerta a nuevas aplicaciones en tecnologías de temporización ultraprecisa, en la generación de peines de frecuencia —clave en espectroscopia, metrología o sistemas de navegación— y en el control avanzado de la luz.
El trabajo es fruto de una estrecha colaboración internacional con investigadores de la Universidad de Münster (Alemania) y la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda), y pone de manifiesto el papel relevante de la UIB en la investigación en fotónica y dinámica no lineal. Los autores confían que este estudio estimule nuevos experimentos en otros tipos de láseres, como por ejemplo los de fibra óptica o de estado sólido, y amplíe todavía más la exploración de los cristales del tiempo. Fuente: UIB.
Sitio Fuente: SINC